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Pflanzen lernten im Verlauf der Evolution der Schwerkraft zu folgen

Seit wann folgen Pflanzenwurzeln gezielt der Schwerkraft? Seit 350 Millionen Jahren, hat ein Forschungsteam am Institute of Science an Technology (IST) Austria herausgefunden. Ein besseres Verständnis des Vorgangs könnte den Anbau auf sehr trockenen Böden erleichtern.
Dass Pflanzenwurzeln der Schwerkraft folgen, ist nicht selbstverständlich. Erst Samenpflanzen entwickelten vor 350 Millionen Jahren das Sensorium dafür. Forscher wollen die Einsicht in den Mechanismus dazu einsetzen, dürreresistentere Pflanzen mit besonders tiefen Wurzeln zu züchten. (Bild: Keystone/MARTIN RUETSCHI)

Dass Pflanzenwurzeln der Schwerkraft folgen, ist nicht selbstverständlich. Erst Samenpflanzen entwickelten vor 350 Millionen Jahren das Sensorium dafür. Forscher wollen die Einsicht in den Mechanismus dazu einsetzen, dürreresistentere Pflanzen mit besonders tiefen Wurzeln zu züchten. (Bild: Keystone/MARTIN RUETSCHI)

(sda/apa)

Im Rahmen ihrer Experimente datierten die Wissenschaftler die wichtige pflanzliche Innovation im Fachblatt «Nature Communications» auf rund 350 Millionen Jahre vor unserer Zeit, wie das Institut am Freitag mitteilte.

Der Evolution des spezifischen Sensoriums für die Schwerkraft gingen die Pflanzenbiologen um Yuzhou Zhang und Jiri Friml im Rahmen ihrer neuen Untersuchung nach. Diese Fähigkeit war unter anderem wichtig, damit die Pflanzen vor rund 500 Millionen Jahren den nachhaltigen Sprung vom Wasser ans Land schafften.

Dass sich die Wurzeln verlässlich nach unten orientieren - die Forscher sprechen von Gravitropismus -, sichert den oberirdischen Teilen der Gewächse nicht nur guten Halt, sondern vor allem den Zugang zu Wasser und Nährstoffen.

Erst Samenpflanzen nutzten Schwerkraft voll

Während der zugrunde liegende Mechanismus bei Blütenpflanzen wie der Lieblingspflanze der Pflanzengenetiker, der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), bereits gut verstanden sei, gab es bisher keinen systematischen Vergleich über verschiedene Pflanzenarten hinweg, heisst es.

Die IST-Wissenschaftler liessen nun Pflanzen, die sich zu verschiedenen Zeitpunkten entwickelten, jeweils vertikal wachsen. Dann beobachteten sie, wann und wie nachdrücklich sich ihre Wurzeln der Erdanziehung entgegen orientierten.

Schon die primitivsten Landpflanzen, also Moose, frühe Gefässpflanzen, Bärlappgewächse und Farne, schlugen Wurzeln in Richtung der Schwerkraft. Aber dieser Prozess ging bei diesen Pflanzengruppen nicht sehr gezielt und sehr langsam vonstatten. Wirklichen Zug nach unten entwickelten erst Samenpflanzen - sprich Nacktsamer und Blühpflanzen. Deren Auftreten im Zuge der Entwicklungsgeschichte wird vor rund 350 Millionen Jahren verortet.

Nächstes Ziel: Dürreresistentere Pflanzen

Ihr effizientes Wachstum verdanken diese Pflanzen mit Stärkekörnern vollgepackten Pflanzenorganellen namens Amyloplasten, die sich in Reaktion auf die Wirkung der Schwerkraft in die Wurzelspitze begeben. Sie fungieren dort als eine Art Sensor.

Das Schwerkraft-Signal wird dann über das pflanzliche Wachstumshormon Auxin von Zelle zu Zelle weitergegeben. Die zentrale Rolle in diesem Prozess übernimmt in der Ackerschmalwand ein Transportermolekül namens PIN2, berichten die Wissenschaftler.

«Nun, da wir beginnen zu verstehen, was Pflanzen brauchen, um sich fest im Boden zu verankern, um an Wasser und Nährstoffe in tieferen Bodenschichten zu gelangen, können wir eines Tages vielleicht Methoden entwickeln, um zum Beispiel den Anbau von Nutzpflanzen auf sehr trockenen Böden zu erleichtern», so Zhang.

* Fachartikelnummer DOI: 10.1038/s41467-019-11471-8

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