Wenn Pflanzenwurzeln verletzt werden – beispielsweise durch Insekten –, bricht der hydraulische Druck in der Wurzel zusammen, und diese Druckwelle breitet sich mit hoher Geschwindigkeit im gesamten Wurzelsystem aus. In benachbarten Wurzeln erkennen winzige Proteine, die wie kleine mechanische Drucksensoren funktionieren, die Veränderung und erzeugen elektrische sowie Ca²⁺-Signale.
Letztendlich löst die Verletzung in den benachbarten Wurzeln so die Synthese von Stresshormonen aus, wodurch diese sich auf den bevorstehenden Angriff vorbereiten.
Wie Pflanzen unter der Erde kommunizieren, um ihre Wurzeln zu verteidigen
Das sind die zentralen Ergebnisse einer jetzt in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlichten Studie. Darin untersuchen die Autoren die Mechanismen, die es Pflanzen ermöglichen, Wurzelschäden über große Entfernungen innerhalb der Wurzel zu signalisieren.
Geleitet wurde die Studie von Dr. Angel Baudon, einem Postdoc am Julius-von-Sachs-Institut der Universität Würzburg, als Erstautor und von Professor Rainer Hedrich, dem ehemaligen Inhaber des Lehrstuhls für Botanik I (Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik) an der Universität Würzburg, als Co-Seniorautor.
Für seine Studie hat das Team die Signalwege der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) in Reaktion auf mechanische Verletzungen untersucht. „Während die Abwehrmechanismen der oberirdischen Pflanzenteile bereits umfassend erforscht wurden, blieb die Kommunikation innerhalb des Wurzelsystems lange Zeit ein Rätsel“, erklärt Angel Baudon den Hintergrund der Arbeit.
Das Verständnis der Wurzelabwehr gegen Schädlinge wie Insektenlarven oder Nematoden ist für die Landwirtschaft von entscheidender Bedeutung, da versteckte Schäden oft zu massiven Ernteausfällen führen.
Druckverlust breitet sich mit hoher Geschwindigkeit aus
Das zentrale Ergebnis der Studie zeigt, dass Pflanzen physikalische Prinzipien nutzen, um Gefahrensignale extrem schnell weiterzuleiten. „Sobald eine Wurzelzelle verletzt wird, kommt es zu einem sofortigen Abfall des intrazellulären Drucks, der in Pflanzen sehr hoch ist“, erklärt Baudon.
Dieser Druckverlust breitet sich als hydraulische Welle durch das Gefäßsystem der Pflanze aus. Mit einer Geschwindigkeit von etwa 75 Millimetern pro Sekunde ist diese physikalische Kommunikation rund 10.000-mal schneller als die Ausbreitung bisher beschriebener Kalziumwellen. Dieser enorme Zeitvorteil ermöglicht es benachbarten, noch intakten Wurzeln, Abwehrmechanismen frühzeitig zu aktivieren.
Die „Alarmkaskade“ verläuft dabei in mehreren Stufen:
- Mechanosensitive Kanäle, sogenannte MCA1-Kanäle, fungieren als primäre Dekodierer. MCA1 wandelt den physikalischen Reiz der mechanischen Druckwelle in elektrische Impulse und Kalziumsignale um.
- Glutamat-ähnliche Rezeptoren (GLR3.3/3.6) wirken als wesentliche Verstärker. Sie nehmen das ursprüngliche Signal auf und verstärken die Depolarisation.
Auf diese Weise wird die Information an andere Akteure weitergeleitet, um eine weitreichende Immunantwort auszulösen.
Kalziumsignale helfen Pflanzen, sich auf wiederholte Verletzungen vorzubereiten
Angel Baudon und seine Kollegen machten im Rahmen dieser Studie eine weitere überraschende Entdeckung: Wiederholte Kalziumsignalausschläge können Pflanzenwurzeln vorübergehend weniger empfindlich gegenüber nachfolgenden Schäden machen. Selbst wenn die Pflanze die Verletzung also weiterhin wahrnimmt, ist ihre Reaktion abgeschwächt.
Mithilfe der Optogenetik haben die Wissenschaftler Kalziumsignale in intakten Wurzelzellen ausgelöst, ohne die Pflanze physisch zu schädigen. Dabei stellten sie fest, dass Pflanzen, die wiederholten Kalziumsignalen ausgesetzt waren, deutlich schwächere elektrische Reaktionen zeigten, wenn sie später Glutamat ausgesetzt oder verletzt wurden.
Die verminderte Reaktion wurde nicht nur an der verletzten Wurzel, sondern auch an benachbarten Wurzeln beobachtet, was darauf hindeutet, dass die Kalziumsignalisierung dazu beitragen könnte, die Reaktion der Pflanzen auf wiederholte oder in der Nähe auftretende Schäden zu koordinieren.
Das Verständnis der Abwehrmechanismen ebnet den Weg für die Agrarforschung
Die Studie zeigt, dass Pflanzen für verschiedene Organe spezialisierte Sensoren entwickelt haben. Während der Anionenkanal MSL10 im Spross eine Schlüsselrolle spielt, dominiert in der Wurzel der kalziumionenleitende Kanal MCA1. Auch die Signaleigenschaften folgen einer eigenen Logik: „In den Blättern breiten sich Warnsignale oft über große Entfernungen ohne nennenswerte Abschwächung aus. In der Wurzel hingegen nimmt die Signalstärke mit zunehmender Entfernung vom Verletzungsort exponentiell ab“, erklärt der Forscher.
Diese räumliche Begrenzung sei biologisch sinnvoll, da sich Bodenschädlinge aufgrund der kompakten Beschaffenheit des Bodens deutlich langsamer bewegen als Insekten auf der Blattoberfläche.
Den Wissenschaftlern zufolge bieten die neu gewonnenen Erkenntnisse über die mechanische Signalverarbeitung strategische Ansätze für die Agrarforschung. „Ein tieferes Verständnis davon, wie Nutzpflanzen mechanische Schäden wahrnehmen, ermöglicht eine gezieltere Optimierung der natürlichen Resistenz gegen wurzelfressende Insekten“, erklärt Angel Baudon.
Die Identifizierung von MCA1 als primärem Decoder des Druckabfalls deckt ein fehlendes Puzzleteil auf, das benötigt wird, um die komplexen Abwehrstrategien unterirdischer Organsysteme zu entschlüsseln und langfristig die Abhängigkeit von chemischen Pflanzenschutzmitteln zu verringern.
Veröffentlichung
MCA1 mechanosensitive channels enable fast communication of wound signals between lateral roots. Angel Baudon, Craig R. Brodersen, Shouguang Huang, Huifang Song, Dirk Becker, Dietmar Geiger, M. Rob G. Roelfsema, Rainer Hedrich. Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.aef2202
Kontakt
Dr. Angel Baudon, Universität Würzburg, Julius-von-Sachs-Institut, angel.baudon@uni-wuerzburg.de