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Moderne Landwirtschaft
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In der Vergangenheit haben wir über Forschungsergebnisse geschrieben, die zeigen, dass Pflanzen die Bodenverdichtung besser reduzieren als Untergrundlockerer. Aber wie können sie das tun? Nun, die heutige Geschichte gibt uns die Antwort mit freundlicher Genehmigung von Forschern der Duke University. Danke an Robin Smith und Veronique Koch für diese hervorragende Geschichte! Sehen Sie sich unbedingt den Tanz der Wurzeln im 1:12-Video am Ende der Geschichte an.
Duke-Forscher haben etwas untersucht, das für unsere Augen zu langsam abläuft. Ein Team um den Biologen Philip Benfey ’ s Labor wollte sehen, wie sich Pflanzenwurzeln in den Boden graben. Also richteten sie eine Kamera auf Reissamen ein, die in klarem Gel keimten, und machten mehrere Tage nach der Keimung alle 15 Minuten ein neues Bild.
Als sie ihr Filmmaterial mit 15 Bildern pro Sekunde abspielten und 100 Stunden Wachstum auf weniger als eine Minute komprimierten, sahen sie, dass Reiswurzeln einen Trick anwenden, um ihren ersten Halt im Boden zu finden:Ihre wachsenden Spitzen machen korkenzieherartige Bewegungen und wackeln und windet sich spiralförmig.
Durch die Verwendung ihrer Zeitrafferaufnahmen zusammen mit einem wurzelähnlichen Roboter zum Testen von Ideen gewannen die Forscher neue Erkenntnisse wie und warum Pflanzenwurzelspitzen sich beim Wachsen drehen.
Der erste Hinweis kam von etwas anderem, das dem Team aufgefallen ist:Einige Wurzeln können den Korkenzieher-Tanz nicht ausführen. Sie fanden heraus, dass der Übeltäter eine Mutation in einem Gen namens HK1 ist, das sie gerade nach unten wachsen lässt, anstatt zu kreisen und sich zu winden, wie es andere Wurzeln tun.
Das Team stellte auch fest, dass die mutierten Wurzeln doppelt so tief wuchsen wie normale. Was eine Frage aufwarf:„Was bewirkt das typischere spiralförmige Spitzenwachstum für die Pflanze?“ sagte Isaiah Taylor , ein Postdoktorand in Benfeys Labor bei Duke.
Windungsbewegungen in Pflanzen seien „ein Phänomen, das Charles Darwin schon vor 150 Jahren faszinierte“, sagte Benfey. Im Fall von Sprossen gibt es einen offensichtlichen Nutzen:Das Drehen und Kreisen macht es einfacher, den Griff zu bekommen, wenn sie in Richtung Sonnenlicht steigen. Aber wie und warum es in Roots passiert, war eher ein Rätsel.
Keimende Samen haben eine Herausforderung, sagen die Forscher. Wenn sie überleben sollen, muss die erste winzige Wurzel, die austritt, die Pflanze verankern und nach unten bohren, um das Wasser und die Nährstoffe aufzusaugen, die die Pflanze zum Wachsen benötigt.
Was sie zum Nachdenken brachte:Vielleicht ist dieses spiralförmige Wachstum in Wurzelspitzen eine Suchstrategie – ein Weg, um den besten Weg nach vorne zu finden, sagte Taylor.
In Experimenten, die im Labor von Physikprofessor Daniel Goldman durchgeführt wurden an der Georgia Tech zeigten Beobachtungen von normalen und mutierten Reiswurzeln, die über einer perforierten Plastikplatte wuchsen, dass normale Spiralwurzeln mit dreimal höherer Wahrscheinlichkeit ein Loch finden und auf die andere Seite durchwachsen.
Mitarbeiter am Georgia Tech und der University of California, Santa Barbara bauten einen weichen, biegsamen Roboter, der sich wie eine Wurzel von seiner Spitze aus entfaltet und ihn in einem Hindernisparcours aus ungleichmäßig verteilten Stiften loslässt.
Um den Roboter zu bauen, nahm das Team zwei aufblasbare Plastikschläuche und steckte sie ineinander. Das Ändern des Luftdrucks drückte das weiche Innenrohr von innen nach außen, wodurch sich der Roboter von der Spitze aus verlängerte. Das Kontrahieren gegenüberliegender Paare künstlicher „Muskeln“ führte dazu, dass sich die Spitze des Roboters von Seite zu Seite bog, während er wuchs.
Auch ohne ausgeklügelte Sensoren oder Steuerungen war die Roboterwurzel in der Lage, Hindernisse zu überwinden und einen Weg durch die Stifte zu finden. Aber als das seitliche Biegen aufhörte, blieb der Roboter schnell an einem Pflock hängen.
Schließlich züchtete das Team normale und mutierte Reissamen in einer Erdmischung, die für Baseballfelder verwendet wird, um sie an Hindernissen zu testen, auf die eine Wurzel tatsächlich im Boden stoßen würde. Sicher genug, während die Mutanten Probleme hatten, einen Fuß zu fassen, konnten sich die normalen Wurzeln mit spiralförmig wachsenden Spitzen durchbohren.
Das Korkenzieherwachstum einer Wurzelspitze wird durch das Pflanzenhormon Auxin koordiniert, eine Wachstumssubstanz, von der die Forscher glauben, dass sie sich in einem wellenförmigen Muster um die Spitze einer wachsenden Wurzel bewegt. Auxinaufbau auf einer Seite der Wurzel führt dazu, dass sich diese Zellen weniger verlängern als die auf der anderen Seite, und die Wurzelspitze biegt sich in diese Richtung.
Pflanzen, die die HK1-Mutation tragen, können nicht tanzen, weil Auxin defekt von Zelle zu Zelle transportiert wird, fanden die Forscher heraus. Wenn dieses Hormon blockiert wird, verlieren die Wurzeln ihre Fähigkeit, sich zu drehen.
Die Arbeit hilft Wissenschaftlern zu verstehen, wie Wurzeln in hartem, verdichtetem Boden wachsen.
https://today.duke.edu/2021/02/time-lapse-reveals-hidden-dance-roots
