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03.11.2016, MPI-CE_Pflanzenwurzeln im Dunkeln sehen Licht
 
Vom Spross in die Wurzel übertragenes Licht aktiviert Lichtrezeptoren in der Wurzel und löst dort lichtabhängige Wachstumsreaktionen in Pflanzen aus.
Forschern und Forscherinnen des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena und der Nationalen Universität Seoul in Korea konnten erstmalig zeigen, dass Wurzeln der Ackerschmalwand direkt auf Licht reagieren, das vom Spross in die unterirdischen Pflanzenteile übertragen wird. Wurzeln können so das Pflanzenwachstum an die Lichtbedingungen der Umgebung anpassen. (Science Signaling, November 2016, DOI: 10.1126/scisignal.aaf6530).

MPI-CE_PM_03.11.2016





Lichtrezeptoren in den Wurzeln werden von Licht aktiviert, das vom Spross über den Stängel in die unterirdischen Wurzeln übertragen wird. Grafik: Rakesh Santhanam, Angela Overmeyer, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie.

Licht ist nicht nur eine Energiequelle, sondern auch ein wichtiges Signal, das viele lichtabhängige Wachstumsvorgänge in der Pflanze steuert, um sie optimal an ihre Umwelt anzupassen. Licht wird zunächst im Spross der Pflanze von Lichtrezeptoren erkannt. Über Lichtsignalmoleküle werden physiologische Prozesse in der Pflanze reguliert. Schon seit mehr als drei Jahrzehnten wurde darüber spekuliert, ob auch Wurzeln Licht wahrnehmen können. Diese Hypothese konnte aber bis zu dieser neuen Studie nicht belegt werden. „Physiker aus Korea und Biologen aus Jena haben jetzt das Wissen aus beiden Bereichen kombiniert , um zu untersuchen, ob die Leitgefäße im Spross wie eine Art Faser Licht vom Spross in die Wurzel leiten“, beschreibt Sang-Gyu Kim, einer der Erstautoren der Studie und Mitinitiator des Projekts, die erfolgreiche Kooperation.

Frühere Studien hatten gezeigt, dass ein bestimmter pflanzlicher Lichtrezeptor, der Licht der Wellenlängen rot/infrarot wahrnimmt, erstaunlicherweise auch in den Wurzeln vorkommt. Unklar war allerdings, wie er dort aktiviert wird. In ihrem interdisziplinären Projekt entwickelten nun Molekularbiologen und Spezialisten für angewandte Optik einen hochsensitiven Lichtdetektor sowie die Idee, „blinde“ und „sehende“ Wurzeln zu kreieren. Die Forscher verwendeten Pflanzen der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), einer Modellpflanze in der botanischen Forschung, die genetisch so verändert waren, dass der Lichtrezeptor nur in den Wurzeln außer Kraft gesetzt wurde, nicht aber im Spross. Diese Pflanzen waren also in der Wurzel „blind“. Für die Untersuchungen wuchsen diese Versuchspflanzen zusammen mit Kontrollpflanzen wie in der Natur: mit den Wurzeln im Dunkeln und dem Spross im Licht. Das optische Detektorsystem wurde eingesetzt, um das Licht zu messen, dass im Stamm hinunter in die Wurzeln übertragen wurde. „Mit diesem Ansatz konnten wir eindeutig zeigen, dass Licht durch die Leitbündel in die Wurzel geleitet wird. Auch wenn die gemessene Intensität sehr gering war, war sie ausreichend, um die Lichtrezeptoren zu aktivieren, eine Lichtsignalkette auszulösen und das Wachstum in den Kontrollpflanzen zu beeinflussen“, erläutert Chung-Mo Park, Leiter des Projekts an der Nationalen Universität in Seoul.

„Diese Ergebnisse sind entscheidend für die weitere Forschung. Unsere Arbeit belegt, dass Wurzeln auch im Boden Licht wahrnehmen können. Dies wiederum aktiviert eine Signalkette, die das Pflanzenwachstum, insbesondere die Wurzelarchitektur, beeinflusst“, sagt Ian Baldwin, Studienleiter am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena. Er blickt bereits in die Zukunft. „In den Wurzeln gibt es noch weitere Lichtrezeptoren. Deren Aufgabe in den Wurzeln und ihr Zusammenspiel mit Lichtsignalen, die aus dem Spross in die Wurzel geleitet werden, ist noch weitgehend unbekannt.“

Von großer Bedeutung für die ökologische Forschung ist es nun, zu zeigen, welche Bedeutung das Ergebnis dieser Studie für Pflanzen hat, die in ihrer natürlichen Umgebung wachsen. Dazu wollen die Forscher Untersuchungen an einer anderen Pflanzenart durchführen, dem Kojotentabak Nicotiana attenuata, einer Modellpflanze der Ökologie, die an extrem starke Lichtverhältnisse angepasst ist. Die Forscher vermuten, dass die neu entdeckte Fähigkeit von Pflanzenwurzeln, Licht wahrzunehmen, entscheidend zur Überlebensfähigkeit von Pflanzen in der Natur beiträgt, indem Energieressourcen für Wachstum, Fortpflanzung und Verteidigung effektiver zugeteilt werden können. [KG/AO]


Originalveröffentlichung:
Lee, H.-J., Ha, J.-H., Kim, S.-G., Choi, H.-K., Kim, Z. H., Han, Y.-J., Kim, J.-I., Oh, Y., Fragoso, V., Shin, K., Hyeon, T., Choi, H.-G., Oh, K.-H., Baldwin, I. T., Park, C.-M. (2016). Stem-piped light activates phytochrome B to trigger light responses in Arabidopsis thaliana roots. Science Signaling. Vol. 9, Issue 452, pp. ra106

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