Es war einer der wichtigsten Schritte im Rahmen der Evolutionsgeschichte: Vor ungefähr 500 Millionen Jahren breiteten sich die Vorfahren unserer heutigen Pflanzen vom Wasser aufs Land aus. Um sich in der neuen Umgebung etablieren zu können, entwickelten sie immer leistungsfähigere Wurzeln. Denn nur durch diese Organe war es ihnen an Land möglich, sich zu verankern und Wasser sowie Nährstoffe zu sammeln, um die oberirdischen Pflanzenteile zu versorgen. Dabei war ein Aspekt besonders wichtig: Beim Wachstum mussten die Wurzeln der Schwerkraft folgen, um den Untergrund zu durchwurzeln.
Das Funktionsprinzip dieses sogenannten Gravitropismus verdeutlicht nun erneut die Studie der Forscher um Yuzhou Zhang vom Institute of Science and Technology Austria in Klosterneuburg. Sie präsentieren zudem erstmals einen Vergleich des Prozesses über das gesamte Pflanzenreich hinweg und ermöglichen damit Rückschlüsse auf die evolutionäre Entwicklungsgeschichte des Orientierungssystems der Wurzeln.
Schwere Stärkekörnchen vermitteln die Lage
Bei den hochentwickelten Blütenpflanzen ist der Wurzelgravitropismus bereits gut untersucht – er basiert auf drei Schritten: Der Wahrnehmung der Schwerkraft, der Übertragung des entsprechenden Signals und letztendlich der nach unten gerichteten Wachstumsreaktion. Die Blütenpflanzen „fühlen“ die Schwerkraft in speziellen Zellen der Wurzelspitzen durch die sogenannten Amyloplasten. Dabei handelt es sich um mit Stärke gefüllte Gebilde, die der Schwerkraft folgend nach unten sinken. Sie lösen ihrer Lage entsprechend eine mit Richtungsinformation verknüpfte Freisetzung des Botenstoffes Auxin aus. Dieses Hormon gelangt dann zum Wachstumsbereich der Wurzel, wo es die Dehnung der Unterseite hemmt. So entsteht dann im Verlauf des Wachstums die Abwärtsbiegung der Wurzel.
Im Rahmen ihrer Studie haben die Wissenschaftler nun das Wachstum der Wurzeln verschiedener Pflanzenarten unterschiedlichen evolutionären Alters untersucht – von Moosen, Bärlappgewächsen, Farnen, Nacktsamern und Blütenpflanzen. Sie ließen die Wurzeln in waagerechter Position wachsen und beobachteten dabei, ob und wann sie begannen, sich nach unten zu biegen, um der Schwerkraft zu folgen. Ergebnis: Bereits in den primitivsten Landpflanzen, den Moosen sowie den frühen Gefäßpflanzen, den Bärlappgewächsen und Farnen, fand von der Schwerkraft getriebenes Wurzelwachstum statt, allerdings vergleichsweise schwach und zudem langsam. Ein schnelles und damit viel effizienteres Wurzelwachstum in Richtung der Schwerkraft zeigten nur die höher entwickelten Samenpflanzen – die Nacktsamer und Blütenpflanzen, die vor rund 350 Millionen Jahren entstanden sind.
