Klosterneuburg. Die Wurzeln höher entwickelter Pflanzen folgen im Zuge ihres Wachstums der Schwerkraft. Wie und wann dieser Evolutionsschritt der Schwerkraft-Wahrnehmung erfolgte und welche Prozesse das Wurzelwachstum in Richtung Schwerkraft ermöglichen, erforschten Pflanzenbiologen am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria).

Die Ausbreitung von Pflanzen vom Wasser auf das Land vor ungefähr 500 Millionen Jahren zählt zu den bedeutendsten Schritten der Evolution des Lebens auf der Erde. In dieser neuen Umgebung mussten Pflanzenwurzeln die Eigenschaft entwickeln, der Schwerkraft folgend nach unten zu wachsen, um oberirdische Pflanzenteile nährstoffreich zu versorgen - ein Phänomen, das auch unter dem Begriff Gravitropismus bekannt ist.

Nun gelang es Yuzhou Zhang und seinem Team erstmalig, einen Einblick in die Entstehung des Wurzelgravitropismus zu erlangen. Dazu ließen die Forscher die Wurzeln verschiedener Pflanzenarten unterschiedlichen evolutionären Alters - Moose, Bärlappgewächse, Farne, Nacktsamer und Blühpflanzen - in waagrechter Position wachsen und beobachteten dabei, ob und wann die Wurzeln begannen, sich nach unten zu biegen, um der Schwerkraft zu folgen. Erst Samenpflanzen (Nacktsamer und Blühpflanzen) zeigten im Vergleich zu primitiven Landpflanzen ein schnelleres und damit viel effizienteres Wurzelwachstum in Richtung der Schwerkraft.

Zwei zentrale Prozesse

Die Wissenschafter stießen durch die Analyse der einzelnen Phasen des Gravitropismus auf zwei zentrale Prozesse, welche die Reaktion auf die Schwerkraft ermöglichen. In der Wurzelspitze fungieren die Pflanzenorganellen "Amyloplasten" als Schwerkraft-Sensoren, welche das Schwerkraft-Signal über das Wachstumshormon Auxin von Zelle zu Zelle weitertransportieren. Dieser Auxinfluss wird durch das Transportermolekül "PIN2" gesteuert, das somit das Wurzelwachstum in die Wege leitet und den Transport von Auxin vom Ort der Schwerkraft-Wahrnehmung hin zur Wachstumszone ermöglicht.

Die Studie lieferte somit Einblicke in die Evolution des Wurzelgravitropismus, aber auch praktische Anwendungsmöglichkeiten: "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", meint Zhang, der seit 2016 am IST Austria forscht.