Wissenschaftler haben herausgefunden, wie Pflanzenwurzeln in verdichteten Boden eindringen, indem sie ein bekanntes ingenieurtechnisches Prinzip anwenden. Diese Entdeckung könnte bedeutende Auswirkungen auf die zukünftige Entwicklung von Pflanzen zur Zeit steigenden Drucks auf landwirtschaftliche Flächen haben.

Weltweit stellt die Bodenverdichtung eine zunehmend ernste Herausforderung dar. Schwere Fahrzeuge und Maschinen in der modernen Landwirtschaft komprimieren den Boden so sehr, dass die Pflanzen Schwierigkeiten haben, zu wachsen. In vielen Regionen wird das Problem durch Dürre verschärft, die mit dem Klimawandel in Verbindung steht.

Doch Pflanzen könnten möglicherweise einen Teil des Problems selbst lösen – mit ein wenig Unterstützung von uns. Es ist bereits bekannt, dass Pflanzen auf eine dichte und schwer durchdringbare Bodenschicht reagieren können, indem sie ihre Wurzeln verdicken. Bislang war jedoch unklar, wie sie dies bewerkstelligen, abgesehen von der Rolle des Pflanzenhormons Ethylen, das eine Schlüsselposition einnimmt.

Die Forscher haben nun den Mechanismus entschlüsselt. Ihre Ergebnisse sind in der Zeitschrift Nature veröffentlicht worden. „Da wir nun verstehen, wie Pflanzen ihre Wurzeln ‚einstellen‘, wenn sie auf verdichteten Boden treffen, könnten wir sie darauf vorbereiten, dies effektiver zu tun“, sagt Staffan Persson, Professor an der Universität Kopenhagen und Hauptautor der Studie.

„Mit anderen Worten, die Wurzel ändert ihre Struktur gemäß einem grundlegenden ingenieurtechnischen Prinzip: Je größer der Durchmesser eines Rohrs und je stärker seine äußere Wand, desto besser kann es sich im kompaktierten Material behaupten“, erklärt Bipin Pandey, Mitautor und außerordentlicher Professor an der Universität Nottingham.

Die Kombination aus Wurzelanschwellung und einer verstärkten äußeren Schicht ermöglicht es der Wurzel, als eine Art biologischer Keil zu fungieren, der sich leichter durch den Boden bewegt.

„Es ist faszinierend zu sehen, wie Pflanzen mechanische Konzepte aus dem Bau und Design nutzen, um biologische Herausforderungen zu meistern“, sagt Persson.

Die Studie zeigt auch, wie dieser Mechanismus verstärkt werden kann: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass durch die Erhöhung der Mengen eines spezifischen Proteins – eines Transkriptionsfaktors – die Wurzel besser in der Lage wird, kompaktierten Boden zu durchdringen. Mit diesem neuen Wissen können wir beginnen, die Wurzelarchitektur neu zu gestalten, um besser mit verdichtetem Boden zurechtzukommen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten in der Pflanzenzüchtung“, sagt Jiao Zhang, Erstautorin und Postdoktorandin an der Shanghai Jiao Tong University.

Obwohl die Experimente mit Reis durchgeführt wurden, glauben die Forscher, dass der Mechanismus allgemein für Pflanzenarten anwendbar ist. Teile desselben Mechanismus wurden auch bei Arabidopsis identifiziert, das evolutionär vom Reis entfernt ist.

„Unsere Ergebnisse könnten dazu beitragen, Pflanzen zu entwickeln, die besser in Böden gedeihen, die durch landwirtschaftliche Maschinen oder klimabedingte Dürre verdichtet sind. Dies wird entscheidend für die zukünftige nachhaltige Landwirtschaft sein“, sagt Professor Wanqi Liang von der Shanghai Jiao Tong University, der ebenfalls Hauptautor der Studie ist.

Die Arbeit eröffnet auch neue Möglichkeiten in der Pflanzenzüchtung im Allgemeinen. Das Team hat viele weitere Transkriptionsfaktoren identifiziert, die offenbar Schlüsselregulatoren der Celluloseproduktion sind – mit weitreichenden Auswirkungen auf die Pflanzenform und -struktur. Es könnte beispielsweise möglich werden, Pflanzen mit unterschiedlichen Formen zu gestalten, was bestimmten Kulturen zugutekommen könnte.

„Die entdeckten Transkriptionsfaktoren sind eine Fundgrube für die Zellwandbiologie. Es gibt hier mehr als genug, um mich bis zur Rente zu beschäftigen“, schließt Persson.

Zu den mitwirkenden Institutionen zählen die Shanghai Jiao Tong University, die Universität Nottingham, die Universidad Argentina de la Empresa, das National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, die Zhejiang University, die Duke University, die Ludwig-Maximilians-Universität und die Universität Kopenhagen.