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Plants in search of water: physiological and molecular interplay between root hydraulics and architecture during drought stress

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Wie sich Zeiten der Dürre auf Pflanzenwurzeln auswirken

Aufgrund des sich verändernden Klimas könnten Kulturpflanzen mit zunehmender Trockenheitkonfrontiert sein. EU-finanzierte Pflanzenforscher untersuchten die molekularen und physiologischen Mechanismen, die der Wassertransportfunktion in den Wurzeln bei Dürre zugrunde liegen.

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Im Laufe ihrer Entwicklung müssen Pflanzen ständig ihren Wassergehalt an die sich verändernden Umweltbedingungen anpassen. Die Wurzeln spielen bei diesem Prozess eine lebenswichtige Rolle, da sie die Bodenumgebung erkunden und Wasser aufnehmen. Trockenperioden können die Funktion der Wurzeln erheblich beeinträchtigen, da die Wasserdurchlässigkeit der Zellen (Hydraulik) verändert sowie das Wachstum und die Architektur des Wurzelsystems beeinflusst werden. Wasserkanalproteine, sogenannte Aquaporine, regulieren in Reaktion auf vielerlei Reize, darunter auch Dürrestress, die Wurzelhydraulik. Pflanzenhormone (Phytohormone) wie zum Beispiel Auxin und Abscisinsäure (ABA) sind für das Wachstum und die Entwicklung der Wurzeln wichtig, da sie die Aquaporine während der Seitenwurzelbildung (lateral root formation, LRF) regulieren. Das EU-finanzierte Horizont 2020-Projekt DROUGHTROOT fasste diese Anpassungsreaktionen der Pflanzen auf Trockenheit zusammen, indem man funktionelle Verbindungen zwischen Wurzelarchitektur, Aquaporinen und Hydraulik sowie Phytohormonen erforschte. Ziel war ein umfassendes Verständnis, wie Pflanzenwurzeln die Wasseraufnahme unter Dürrebedingungen optimieren. Pflanzenmodell im Einsatz Anhand der Modellpflanze Arabidopsis thaliana untersuchten die Forscher die Reaktionen der Pflanzen auf Wasserstress auf elementarer Ebene der Seitenwurzelbildung bis hin zur Gesamtwurzelausbildung, um komplexe Wechselwirkungen und Signalwege zu identifizieren. „Die Untersuchung der Arabidopsis-Wurzeln umfasst eine einzigartige Kombination aus Entwicklungsbiologie, Genomik, Biophysik und mathematischer Modellierung mit dem Ziel, dieses Wissen auf Kulturpflanzen zu übertragen“, sagt Projektkoordinator Christophe Maurel. Die Wissenschaftler wandten eine Reihe von Wasserstressbedingungen von mild bis hart an, um den Zusammenhang zwischen der Architektur des Wurzelsystems und seiner Wassertransportaktivität zu untersuchen. In den Resultaten zeigte sich eine doppelte Reaktion der Wurzeln auf den Wassermangel. „Bei der ersten handelt es sich um eine stimulierende Wirkung auf die Seitenwurzelentwicklung, Wurzelarchitektur und Hydraulik, die bei leichtem Wasserstress zu beobachten ist. Im Gegensatz dazu hatte stärkerer Wasserstress allgemein hemmende Auswirkungen“, erläutert Maurel. ABA zeigte in Abhängigkeit von der Konzentration eine positive und hemmende Wirkung auf Wurzelwachstum und Hydraulik. Daher konnte man nachweisen, dass ABA die Wurzelreaktionen auf Wassermangel eng aufeinander abstimmt, um die Wasseraufnahme zu optimieren. „Im Einzelnen haben wir beobachtet, dass die Wurzeln je nach Alter und Status eine ausgeprägte Sensibilität gegenüber Wassermangel aufweisen“, erklärt Maurel. Daten auf das Modell anwenden DROUGHTROOT hat Pflanzenphysiologen und Entwickler mathematischer Modelle mit riesigen Datenmengen versorgt, die auf ein zuvor entwickeltes funktionelles Strukturmodell der Wurzelwasseraufnahme angewendet werden. „Das Modell wird dazu beitragen, das Verhalten der entweder in Bezug auf ihre Wurzelarchitektur oder hydraulischen Parameter beeinträchtigten Pflanzen vorherzusagen und Schlüsselelemente oder Parameter für biologische Tests hervorzuheben“, stellt Maurel fest. Langfristig wird dieses Wissen den Pflanzenzüchtern Möglichkeiten eröffnen, indem Werkzeuge und Machbarkeitsnachweise zur Verfügung gestellt werden, um auf ABA-abhängige Signalwege abzuzielen, welche die Wurzelreaktionen auf Wassermangel koordinieren. Mehr Wissen über die Strategien der Pflanzen bei der Wassergewinnung wird außerdem zur Optimierung von Bewässerungsverfahren beitragen. Insgesamt werden diese Fortschritte einen Beitrag zur Lebensmittelsicherheit und zu nachhaltigen landwirtschaftlichen Praktiken bei eingeschränkter Wasserverfügbarkeit aufgrund des Klimawandels leisten.

Schlüsselbegriffe

DROUGHTROOT, Wasser, Pflanze, Trockenheit, Wurzeln, Abscisinsäure (ABA), Aquaporin, Seitenwurzelbildung, seitliche Wurzelbildung, Auxin

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