Saprotropismus: Wurzeln meiden verrottendes Pflanzenmaterial, nicht aber tierische Verwesung
Forscher:innen unter der Leitung von Professor Jiří Friml am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und internationalen Partnern haben eine neue pflanzliche Wachstumsreaktion entdeckt: den sogenannten „Saprotropismus“. Diese Reaktion bewirkt, dass Wurzeln sich von verrottendem pflanzlichem Material fernhalten, während sie auf tierische Verwesungsprodukte nicht ähnlich reagieren. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.
Hintergrund zu Pflanzentropismen
Pflanzen können ihre Wachstumsrichtung an Umweltreize anpassen, da sie sich nicht aktiv bewegen können. Bekannte Tropismen umfassen beispielsweise den Phototropismus (Wachstum zum Licht), Gravitropismus (Wachstum entlang der Schwerkraft) und Hydrotropismus (Wachstum in Richtung Wasser). Die neu entdeckte Reaktion, der Saprotropismus, beschreibt die gezielte Bewegung von Wurzeln weg von verrottendem pflanzlichem Material.
Erkenntnisse zum Saprotropismus
- Wurzeln reagieren auf den Kontakt mit verrottendem Pflanzengewebe mit Wachstumshemmung und Aktivierung von Abwehrmechanismen, die mit Immunität gegen Krankheitserreger verbunden sind.
- Im Gegensatz zu tierischer Verwesung, wie etwa verdorbenem Hühnerfleisch, zeigen die Wurzeln keine Abwehrreaktion oder Wachstumsumlenkung.
- Die Reaktion wurde bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana sowie bei Kulturpflanzen wie Raps, Tomaten und Weizen beobachtet, was auf eine weite Verbreitung des Saprotropismus hindeutet.
Mechanismus der Wahrnehmung
Das Team identifizierte, dass Mikroorganismen, insbesondere Pilze, bei der Zersetzung von abgestorbenem Pflanzenmaterial saure Stoffwechselprodukte freisetzen, darunter organische und phenolische Säuren. Diese erzeugen im Boden lokale pH-Gradienten, die von den Wurzeln als Warnsignal wahrgenommen werden. Die Wurzeln biegen sich von den Bereichen mit erhöhtem Säuregehalt weg, noch bevor sie direkten Kontakt mit dem verrottenden Material haben.
Das saure Signal ist temporär und verschwindet, sobald das Pflanzenmaterial vollständig zersetzt ist, sodass die Wurzeln ihre Wachstumsrichtung wieder ändern können.
Untersuchungsmethoden
Zur Analyse des Saprotropismus verwendeten die Forschenden ein vertikales Split-Agar-System, das es ermöglicht, definierte chemische Gradienten zu erzeugen und das Wachstum der Wurzeln unter kontrollierten Bedingungen zu beobachten. Dabei zeigte sich, dass die Wurzeln sich gezielt von sauren Zonen entfernen.
Rolle des Pflanzenhormons Abscisinsäure (ABA)
Die Wahrnehmung des pH-Gradienten führt zu einer asymmetrischen Verteilung des Hormons Abscisinsäure (ABA) an der Wurzelspitze. Dies bewirkt eine Umstrukturierung des Zellgerüsts auf einer Seite der Wurzel, wodurch sich die Wurzel von der verrottenden Pflanze wegbiegt. Im Gegensatz zu anderen Tropismen spielt das Hormon Auxin hierbei keine zentrale Rolle.
Bedeutung für Landwirtschaft und Pflanzenzüchtung
Die Entdeckung des Saprotropismus eröffnet neue Perspektiven für die Erforschung der Interaktion von Wurzeln mit mikrobiellen Aktivitäten im Boden. Insbesondere könnte das Verständnis dieser Mechanismen dazu beitragen, landwirtschaftliche Praktiken zu optimieren und die Widerstandsfähigkeit von Kulturpflanzen gegenüber Wurzelkrankheiten zu erhöhen.
Übermäßiges Einarbeiten von unverrotteten Ernterückständen kann große Verrottungszonen im Boden schaffen, die die Fähigkeit der Wurzeln zur Umgehung übersteigen und somit die Anfälligkeit für schädliche Mikroben erhöhen. Zukünftige Züchtungsansätze könnten darauf abzielen, Pflanzen mit einer verstärkten Fähigkeit zur Vermeidung solcher Zonen zu entwickeln, um Infektionen bereits im Vorfeld zu verhindern.
Förderung
Das Forschungsprojekt wurde unterstützt durch verschiedene Fördermittel, darunter das Qin Chuangyuan High-level Innovation and Entrepreneurship Talent Program, die Fundamental Research Funds for the Central Universities, die National Natural Science Foundation of China, den Europäischen Forschungsrat (ERC) sowie den Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF).
Quellen und weiterführende Informationen
Originalpublikation:
Zhulatai Bao, Huihui Wang, Ai Zhang, Ruxi Gao, Wen Gu, Ni Fan, Jiří Friml, Yuzhou Zhang (2026): Roots navigate around decay regions by sensing local pH gradients. Science. DOI: 10.1126/science.adw6568
Forschungsgruppe am ISTA:
Pflanzliche Entwicklungs- und Zellbiologie
