Pflanzen können Trockenheit, nährstoffarme Böden oder schwankende Nährstoffkonzentrationen nicht einfach ausweichen.

Stattdessen müssen sie die Funktionsweise ihrer Zellen ständig anpassen.

Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass ihre Wurzeln dabei erstaunlich flexibel vorgehen können.

Wissenschaftler haben die Wurzeln der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), einer häufig verwendeten Modellpflanze, untersucht und dabei eine zusätzliche Ebene der zellulären Identität entdeckt.

Diese tritt deutlich häufiger auf, wenn Wasser knapp wird. Die Entdeckung stellt die bisherige Annahme infrage, dass jeder Wurzelzelltyp einem einzigen, festgelegten Entwicklungsweg folgt.

Wurzelzellen können zwei Zustände annehmen

Das Wurzelgewebe besteht aus verschiedenen Zelltypen, die jeweils bestimmte Aufgaben beim Wachstum, beim Stofftransport und bei der Wechselwirkung mit dem umgebenden Boden übernehmen.

Bisher ging man davon aus, dass sich diese Zellen entlang relativ vorhersehbarer Entwicklungswege ausreifen. Doch bei der Untersuchung Hunderttausender einzelner Wurzelzellen stellten die Forscher fest, dass sich die meisten Zelltypen offenbar in zwei Gruppen einteilen lassen.

Eine Gruppe folgte dem erwarteten Entwicklungsprogramm. Die andere aktivierte zusätzlich Hunderte von Genen, die mit Reaktionen auf Umweltbedingungen zusammenhängen.

Die leitende Forscherin Marina Oliva erklärte, dass das Team ursprünglich davon ausgegangen sei, jeder Zelltyp folge einem einzigen grundlegenden Entwicklungsprogramm. Stattdessen zeigte sich, dass die meisten Zelltypen zwei unterschiedliche Zustände der Genaktivität annehmen können.

Dieser zusätzliche Zustand trat in verschiedenen Bereichen des Wurzelgewebes auf und war nicht auf einen bestimmten Zelltyp beschränkt.

Trockenheit verändert das Gleichgewicht

Anschließend untersuchten die Forscher, ob Umweltbedingungen beeinflussen können, wie viele Zellen diesen neu entdeckten Zustand annehmen.

Bei guter Wasserversorgung zeigten rund 38 Prozent der dafür infrage kommenden Wurzelzellen das charakteristische Muster der Umweltreaktion. Wurde die Wasserverfügbarkeit hingegen stark eingeschränkt, stieg dieser Anteil auf etwa 66 Prozent.

Das deutet darauf hin, dass Trockenheit nicht unbedingt einen völlig neuen Zelltyp entstehen lässt. Vielmehr scheint sie das Verhältnis zwischen zwei Zuständen zu verschieben, die Wurzelzellen ohnehin einnehmen können.

Professor Ryan Lister verglich diesen Vorgang mit einem Regler, dessen Einstellung sich je nach Umweltbedingungen verändert. Dadurch wird beeinflusst, wie viele Zellen in den Reaktionsmodus wechseln.

Der Effekt zeigte sich in mehreren Schichten der Wurzel. Das spricht dafür, dass die Reaktion auf Trockenheit koordinierte Veränderungen im gesamten Gewebe umfasst.

Ein Pflanzenhormon steuert den Wechsel

Die Abscisinsäure, kurz ABA, scheint bei diesem Prozess eine wichtige Rolle zu spielen.

ABA ist ein Pflanzenhormon, das eng mit der Reaktion auf Trockenheit verbunden ist. Es hilft Pflanzen dabei, Wasserverluste zu verringern und ihr Wachstum an trockene Bedingungen anzupassen.

Pflanzen, die keine ABA produzieren konnten oder nicht normal auf das Hormon reagierten, wiesen deutlich weniger Zellen im neu entdeckten Zustand auf.

Zusätzlich untersuchten die Forscher Gene, deren Aktivität bekanntermaßen durch ABA beeinflusst wird. Dabei stellten sie fest, dass diese Gene bei Wassermangel deutlich aktiver waren.

Die Ergebnisse legen nahe, dass ABA mitbestimmt, wie stark sich Wurzelzellen auf das Umweltreaktionsprogramm ausrichten. Ob das Hormon den Wechsel allerdings direkt auslöst, ist bislang noch unklar.

Einzelne Zellen machten das Verborgene sichtbar

Möglich wurde die Entdeckung durch eine Untersuchung der Genaktivität auf Ebene einzelner Zellen.

Herkömmliche Methoden analysieren häufig Tausende Zellen gleichzeitig und berechnen daraus einen Durchschnittswert. Dabei können wichtige Unterschiede zwischen Zellen verborgen bleiben, die eigentlich zum selben Gewebe gehören.

Mithilfe der Einzelzell-RNA-Sequenzierung konnten die Forscher die beiden Zellgruppen getrennt erfassen und beobachten, wie sich ihre jeweiligen Anteile unter unterschiedlichen Bedingungen veränderten.

Die Studie zeigt damit eindrucksvoll, wie moderne Technologien biologische Zusammenhänge sichtbar machen, die mit früheren Methoden verborgen geblieben wären.

Die Erkenntnisse könnten der Landwirtschaft helfen

Ein besseres Verständnis dafür, wie Pflanzen auf Wassermangel reagieren, könnte erhebliche Bedeutung für die Landwirtschaft haben.

Trockenheit stellt eine zunehmend große Herausforderung für die Pflanzenproduktion dar. Die Forscher hoffen deshalb, dass die Entdeckung der zellulären Mechanismen hinter der Anpassung an Wassermangel langfristig zur Entwicklung widerstandsfähigerer Pflanzen beitragen kann.

Die Erkenntnisse könnten auch über die klassische Landwirtschaft hinaus nützlich sein.

Ein besseres Verständnis dafür, wie Wurzeln auf Wasser und Nährstoffe reagieren, könnte beispielsweise den Pflanzenanbau in vertikalen Farmen und kontrollierten Umgebungen verbessern, wie sie für zukünftige Weltraummissionen vorgesehen sind.

Allerdings sind noch viele Fragen offen. Wissenschaftler müssen erst herausfinden, wodurch eine einzelne Zelle genau in den Reaktionszustand wechselt oder ihn wieder verlässt. Außerdem ist noch unklar, ob vergleichbare Mechanismen auch bei anderen Pflanzenarten vorkommen.

Eines steht jedoch bereits fest: wurzelzellen sind deutlich anpassungsfähiger als bisher angenommen. Statt sich lediglich zu festen Zelltypen mit unveränderlichen Eigenschaften zu entwickeln, können sie offenbar ihre inneren genetischen Programme an die Umweltbedingungen anpassen.