Versteifte Zellwände stoppen Wachstum von Pflanzenwurzeln

Das Pflanzenhormon Cytokinin hemmt das Wachstum von Wurzelzellen

31. März 2022

Mit dem Beginn des Frühlings sprießt das erste Grün, und die Blätter beginnen zu sprießen. Aber auch die Wurzeln der Pflanzen wachsen und breiten sich unter der Erde aus, um Nährstoffe und Wasser zu gewinnen. In einer neuen Studie, die in Current Biology veröffentlicht wurde, haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Züchtungsforschung in Köln herausgefunden, dass neu gebildete Wurzelzellen der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) ihr Wachstum stoppen, indem sie ihre Zellwände versteifen.

Die Wurzel der Ackerschmalwand ist in verschiedene Zonen gegliedert: In der Nähe der Wurzelspitze vermehren sich die Stammzellen und bilden neue Zellen. Diese neuen Zellen teilen sich in der sogenannten embryonalen Zone und verlassen diese schließlich um in die Wachstumszone einzutreten, wo sie ihre Teilung einstellen und nur noch in die Länge wachsen. Anschließend stellen die Zellen das Wachstum ein und erreichen die Reifungszone.

Frühere Studien haben die Pflanzenhormone und -gene aufgedeckt, die diesen Prozess steuern. Aber wie genau neue Wurzelzellen wissen, dass sie aufhören sollen zu wachsen, ist noch unbekannt. In ihrer neuen Studie gehen der Doktorand Shanda Liu, Miltos Tsiantis und ihre Kollegen der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, dem John-Innes Center in Norwich und der Universität Rom dieser Frage nach. "Wir wissen viel über die Gene, die die Wurzelentwicklung steuern. Wir wissen jedoch weniger darüber, wie die verschiedenen Zellen an der Wurzelspitze wachsen, um die endgültige Wurzelform zu erhalten, und wie die Wurzeln ihr Wachstum beenden“, erklärt Liu. "Es ist aufregend zu sehen, dass die von unserer Gruppe für die Untersuchung der Morphogenese entwickelten Methoden zur Bildanalyse nun auch für die Untersuchung des Wachstumsstopps verwendet werden“, fügt Richard Smith vom John Innes Centre in Norwich hinzu.

Cytokinin stoppt Wurzelwachstum

Die Forschenden haben herausgefunden, dass das Pflanzenhormon Cytokinin eine Schlüsselrolle dabei spielt, das Wachstum von Wurzelzellen zu stoppen. Die Wissenschaftler stellten außerdem fest, dass die Zellwände von Wurzelzellen immer steifer werden, wenn sie ihr Wachstum einstellen. Tsiantis erklärt: "Unsere Studie zeigt, dass Cytokinin dem 'Stopp' des Wurzelwachstums zugrunde liegt und dass dieser Stopp mit einer Versteifung der Zellwände einhergeht. Dies wiederum deutet darauf hin, dass die Versteifung von Pflanzenzellen ein wichtiger Mechanismus sein könnte, durch den Gene und Hormone letztlich das Pflanzenwachstum stoppen.

Die Wissenschaftler machten ihre Entdeckungen, indem sie Mikroskopbilder von wachsenden Wurzelspitzen aufnahmen und dafür mikrofluidische Geräte verwendeten, die von Guido Grossmann von der Heinrich-Heine-Universität entwickelt wurden. Diese Bilder zeigen, wo und wann Wurzelzellen wachsen, aufhören zu wachsen und reifen. Die Wissenschaftler stellten außerdem fest, dass es bei Pflanzen mit einem niedrigeren Cytokinin-Pegel länger dauert, bis die Wurzelzellen ihr Wachstum einstellen. Eine weitere Reihe von Experimenten in Kombination mit Computermodellen zeigte, dass die Zellen in der Streckungszone, die aufhören zu wachsen, steifere Zellwände haben.

Tsiantis erklärt: "Die Mikroskoptechniken, die wir hier verwenden, könnten auch genutzt werden, um zu untersuchen, wie andere Gene oder Hormone das Zellwachstum entlang der Wurzel beeinflussen, um ihre Entwicklung zu regulieren. Und um festzustellen, ob sie auch die Steifigkeit der Zellwände beeinflussen. Cytokinin wirkt auch in den oberirdischen Teilen einer Pflanze, etwa in den Blättern. Es wäre also interessant zu wissen, ob es das Wachstum der Blätter in ähnlicher Weise reguliert wie in den Wurzeln.“

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