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Pflanzen melden Verletzungen im Wurzelsystem über Druckwellen
Werden Pflanzenwurzeln verletzt, bricht in den betroffenen Zellen der Innendruck ein. Eine neue Studie zeigt, dass sich dieser Druckverlust als hydraulische Welle mit rund 75 Millimetern pro Sekunde durch das Wurzelsystem ausbreitet und benachbarte Wurzeln elektrische sowie Kalziumsignale auslösen lässt. Dabei spielt der mechanosensitive Kanal MCA1 eine Schlüsselrolle.
Würzburg (Deutschland). Wurzeln sind im Boden ständig mechanischen Belastungen ausgesetzt und können etwa durch Insektenlarven oder Nematoden verletzt werden. Wie eine solche lokale Beschädigung so schnell an andere Teile des Wurzelsystems gemeldet wird, war bislang deutlich weniger verstanden als die Wundreaktion oberirdischer Pflanzenteile.
Ein Team der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) um Erstautor Dr. Angel Baudon hat nun die Signalwege nach mechanischen Verletzungen an Seitenwurzeln der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana untersucht. Die Forscher kombinierten Messungen des Membranpotenzials mit Kalziumbildgebung, Mutantenanalysen und optogenetischen Versuchen, bei denen sich Kalziumsignale gezielt mit Licht auslösen lassen.
Die Verletzung löste an der betroffenen Wurzel sofort eine elektrische Depolarisation und einen Anstieg des Kalziums im Zellinneren aus. Ähnliche elektrische Reaktionen registrierte das Team innerhalb von Millisekunden auch in benachbarten Seitenwurzeln. Der zugrunde liegende physikalische Auslöser ist nach den Versuchen ein rascher Verlust des Turgordrucks, also des Innendrucks lebender Pflanzenzellen.
Beim Verletzen einer Wurzelzelle sinkt dieser Turgordruck abrupt. Der Druckverlust setzt sich als hydraulische Welle durch das Gefäßsystem fort. Laut der offiziellen Studienmitteilung erreichte sie etwa 75 Millimeter pro Sekunde und war damit rund 10.000-mal schneller als zuvor beschriebene Kalziumwellen.
„Sobald eine Wurzelzelle verletzt wird, kommt es zu einem sofortigen Abfall des intrazellulären Drucks, der in Pflanzen sehr hoch ist“, erklärt Dr. Angel Baudon.
Entscheidend ist, dass die Druckänderung nicht selbst die gesamte Abwehrreaktion übernimmt. Sie liefert vielmehr ein sehr schnelles mechanisches Signal, das in noch unverletzten Wurzeln in elektrische und chemische Signale übersetzt werden kann. Dadurch können weiter entfernte Wurzelbereiche reagieren, bevor ein langsam wandernder Schädling sie erreicht.
Mutantenversuche weisen dem mechanosensitiven Ionenkanal MCA1 dabei eine zentrale Rolle zu. Er reagiert auf die mechanische Veränderung und ermöglicht elektrische sowie Kalziumsignale. Glutamatähnliche Rezeptoren der Typen GLR3.3 und GLR3.6 verstärken die Depolarisation anschließend, bevor weitere Signalketten unter anderem die Bildung von Stresshormonen anstoßen.
„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 Dr. Angel Baudon.
Damit unterscheidet sich die unterirdische Alarmreaktion von der Signalweitergabe in oberirdischen Pflanzenteilen. Die räumliche Abschwächung kann die Reaktion auf den Bereich begrenzen, in dem eine weitere Schädigung wahrscheinlicher ist.