11.07.2019

Mit tiefen Wurzeln CO2 binden

Pflanzen, deren Wurzeln robuster sind und tiefer wachsen, können mehr Kohlenstoff für einen längeren Zeitraum unterirdisch speichern. Auf diese Weise kann klimaschädliches CO2 in der Atmosphäre reduziert werden. Bis jetzt waren die genetischen und molekularen Mechanismen unklar, die regeln, welche Teile des Bodens von Wurzeln nach Nährstoffen durchsucht werden. Nun haben Pflanzenbiolog/innen der ÖAW und des Salk-Instituts in den USA ein Gen identifiziert, das bestimmt, ob Wurzeln in die Tiefe oder oberflächlicher wachsen. Die Forschungsergebnisse wurden im renommierten Fachmagazin Cell publiziert.

© ÖAW/Klaus Pichler

Für ihre neue Arbeit haben die Forscher/innen des GMI – Gregor-Mendel-Instituts für Molekulare Pflanzenbiologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und des kalifornischen Salk Institute for Biological Studies die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) als Modellpflanzeverwendet. Mit ihr identifizierten sie Gene und deren Varianten, die die Wirkung von Auxin regulieren. Das Hormon Auxin spielt eine Schlüsselrolle in der Kontrolle der Architektur des Wurzelsystems. Bisher war bereits bekannt, dass Auxin fast alle Aspekte des Pflanzenwachstums beeinflusst. Noch nicht bekannt war hingegen, welche Faktoren bestimmen, wie Auxin spezifisch den Bau des Wurzelsystems beeinflusst.

Gen für Regulierung des Wurzelsystems identifiziert

Um das Pflanzenwachstum besser beobachten zu können, haben die Forscher/innen eine neue Methode entwickelt und optimiert: „Die Wurzeln der Arabidopsis thaliana  sind unglaublich klein und daher nicht leicht erkennbar. Indem wir die Pflanze halbierten, konnten wir die Wurzelverteilung im Boden besser beobachten und messen“, so Erstautor Takehiko Ogura aus dem Labor von Busch.

Das Team hat dabei entdeckt, dass ein Gen (EXOCYST70A3) die Architektur des Wurzelsystems direkt reguliert, indem es die Auxin-Signalwege kontrolliert, ohne andere Signalwege zu stören. EXOCYST70A3  tut dies, indem es auf die Verteilung von PIN4 wirkt, ein Protein das den Auxin-Transport beeinflusst. Als die Wissenschaftler/innen das EXOCYST70A3 Gen änderten, entdeckten sie, dass sich die Richtung des Wurzelsystems verschob und die Wurzeln tiefer in den Boden wuchsen.

„Biologische Systeme sind unglaublich komplex. Es kann daher schwierig sein, die molekularen Mechanismen einer Pflanze mit einer Reaktion der Umwelt in Verbindung zu bringen“, so Ogura. „Wir haben nun eine Verbindung hergestellt, wie dieses Gen das Verhalten von Wurzeln beeinflusst. Dadurch haben wir einen wichtigen Schritt aufgedeckt, wie Pflanzen sich durch die Auxin-Signalwege an veränderte Umweltbedingungen anpassen.“

Zukunftsvision: CO2-Menge in der Atmosphäre reduzieren

Das Team ist nun nicht nur in der Lage Pflanzen zu entwickeln, deren Wurzelsysteme tiefer wachsen und so mehr Kohlenstoff speichern: Die Entdeckung könnte den Forscher/innen auch dabei helfen zu verstehen, wie Pflanzen auf saisonale Schwankungen von Regenmengen reagieren und wie man Pflanzen dabei unterstützen könnte, sich an veränderte Umweltbedingungen anzupassen.

„Wir hoffen dass wir dieses Wissen über die Auxin-Signalwege nützen können, um mehr Komponenten zu entdecken, die mit diesen Genen in Verbindung stehen und die Architektur des Wurzelsystems beeinflussen“, so Wolfgang Busch, Associate Professor und Mitglied des Salk’s Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory und zuvor Gruppenleiter am GMI der ÖAW, wo ein Großteil der Forschungsarbeit stattfand. „Das wird uns helfen bessere und anpassungsfähigere Sorten von Erntepflanzen wie Sojabohnen und Mais zu schaffen, damit Bauern mehr Nahrung für die wachsende Weltbevölkerung produzieren können.“

 

PUBLIKATION

„Root system depth in Arabidopsis is shaped by EXOCYST70A3 via the dynamic modulation of auxin transport“, Takehiko Ogura, Christian Goeschl, Daniele Filiault, Madalina Mirea, Radka Slovak, Bonnie Wolhrab, Santosh B. Satbhai und Wolfgang Busch, Cell, 2019

DOI: https://doi.org/10.1101/559187


FÖRDERUNG

Die Arbeit wurde von der ÖAW sowie durch den Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und das Salk Institut gefördert.