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Pflanzenphysiologie: Grüne Wasserwaage

Dank ihrer Fähigkeit, die Schwerkraft wahrzunehmen, wachsen Pflanzen exakt senkrecht nach oben. Aber warum funktioniert das so präzise?
Wild wachsende Äste

Pflanzen wachsen nach oben, das weiß jedes Kind. Doch woher »wissen« sie, wo oben und unten ist? Das ist nicht so einfach, wie es scheint: Würden neue Triebe zum Beispiel einfach immer im rechten Winkel aus der Erde sprießen, würden sie an Abhängen irgendwann unter ihrem eigenen Gewicht umknicken.

Die Evolution hat einen Mechanismus hervorgebracht, der das verhindert. Die Gewächse registrieren die Richtung der lokalen Schwerkraft und steuern ihr Wachstum entsprechend, eine Fähigkeit, die man als Gravitropismus bezeichnet. Dadurch sprießen die Pflanzenorgane entweder senkrecht nach unten (»positiv gravitrop«, etwa bei Hauptwurzeln) oder senkrecht nach oben (»negativ gravitrop« wie bei Sprossachsen) oder auch horizontal zur Seite wie bei Seitenwurzeln.

Hierbei helfen der Pflanze spezialisierte Zellen, die in den Spitzen der Wurzeln und Sprossen sowie in den Streckungszonen der Sprossachsen sitzen. Diese Statozyten enthalten einige Dutzend nur wenige Mikrometer (millionstel Meter) kleine Körnchen namens Statolithen, die hauptsächlich aus Stärke bestehen. Auf Grund ihres Gewichts sinken die Statolithen im Zellplasma nach unten und sammeln sich an der tiefsten Stelle. Die Pflanze registriert das über noch unbekannte Rezeptoren und regelt damit die Verteilung von Wachstumsfaktoren im Pflanzengewebe.

Dieser Gleichgewichtssinn ist jedoch viel sensibler, als man es dem simplen Mechanismus zutrauen würde. »Oberirdische Pflanzenorgane reagieren selbst auf die schwächste Verkippung«, betont Yoël Forterre vom Institut Universitaire des Systèmes Thermiques Industriels in Marseille, »es gibt keinerlei Schwellenwert des Neigungswinkels.« Seiner Ansicht nach wäre diese hohe Empfindlichkeit kaum erklärbar, wenn sich die Statolithen schlicht wie suspendierte Partikel verhalten würden – etwa wie Sand in Wasser. Denn dann würden die Körnchen aneinanderreiben und sich, wenn sie in der Zelle aufeinanderliegen, gegenseitig festklemmen. Auf diese Weise stabilisiert, könnten sie auf kleine Kippwinkel nicht reagieren. Erst bei großen Neigungswinkeln würden sie hinreichend stark hangabwärts drängen, um ins Rutschen zu kommen und so ihre Position in der Zelle zu verändern.

Um dieses scheinbare Paradox zu lösen, untersuchten Forterre und sein Team die schwerkraftwahrnehmenden Zellen aus den Spitzen von Weizenkeimlingen. Bei ihren in »PNAS« veröffentlichten Experimenten erlebten sie nun eine Überraschung: Als sie mit einer Bildverarbeitungssoftware die Mikroskopaufnahmen auswerteten, stellten sie fest, dass sich die Oberfläche des Statolithen-Haufens am Boden der Zelle stets waagerecht ausrichtet – eher wie eine Flüssigkeit als ein Haufen Körner.

Stark vergrößernde Videoaufnahmen zeigten, dass die Statolithen nicht einfach passiv in der Zelle herumliegen, sondern immer wieder emporgehoben oder -gestoßen werden. Dadurch bleiben sie in ständiger Bewegung – wie Kiesel in einem Karton, den man unablässig schüttelt. Dieser Mechanismus stelle sicher, dass sich das Statolithen-Ensemble ähnlich wie eine Flüssigkeit verhalte, daher auch auf sehr kleine Neigungswinkel reagiere und der Pflanze somit erlaube, selbst schwach ausgeprägte Schiefhaltungen wahrzunehmen, so die Hypothese der Wissenschaftler.

Um das Verhalten nachzustellen und so die Vermutung zu testen, experimentierten Forterre und sein Team mit wassergefüllten Gefäßen, die in etwa die Größe von Statozyten besaßen. Dort hinein gaben die Forscher Partikel aus Siliziumdioxid mit 2 bis 4,4 Mikrometer Durchmesser als Statolithen-Attrappen. Die Teilchen sind klein genug, um von den Wassermolekülen herumgestoßen zu werden, so dass sie stets in einer gewissen Unruhe begriffen sind.

»Oberirdische Pflanzenorgane reagieren auf die schwächste Verkippung«
(Yoël Forterre)

Diese brownsche Bewegung scheint aber nur ein Teil der Erklärung zu sein: Auch die künstlichen Körnchen hätten kollektiv ein flüssigkeitsähnliches Verhalten an den Tag gelegt, berichten die Wissenschaftler. Allerdings zeige der Vergleich zwischen den Siliziumdioxidpartikeln und den Statolithen, dass Letztere in der Pflanzenzelle wesentlich stärkere Bewegungen vollführen, als allein mit der brownschen Bewegung erklärbar ist. Es müsse daher einen intrazellulären Mechanismus geben, der die Statolithen immer wieder nach oben befördere. Vermutlich habe er mit dem Zytoskelett zu tun, genauer mit dem intrazellulären Aktin-Myosin-Netzwerk. Darauf deuteten auch frühere Experimente hin, in denen die Funktion des Aktins gehemmt wurde – worauf sich die Statolithen weniger stark bewegten.

Die Wissenschaftler um Forterre wollen jedoch nicht nur die Pflanzenforschung voranbringen, sie sehen in ihren Erkenntnissen auch neue Impulse für die Technik. Mit Partikelsuspensionen, die der brownschen Bewegung unterliegen, könne man neue Neigungsmesser im Miniaturformat entwickeln. Diese Apparate wären nicht durch Grenzflächenspannungseffekte wie bei Wasserwaagen beeinträchtigt und könnten kompakter konstruiert werden als derzeit übliche Geräte mit Pendelkörpern oder Beschleunigungssensoren.

Nicht alle Fachleute teilen die Begeisterung für Forterres Arbeit. Statolithen mit einer Art Flüssigkeit zu vergleichen, sei weit hergeholt, sagt der Gravitationsbiologe Markus Braun, der am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt Forschung unter Weltraumbedingungen betreibt. Anderes sei bereits länger bekannt: »Es wurde schon mehrfach postuliert, dass die Wechselwirkung des Aktin-Myosin-Netzwerks mit den Statolithen eine leichte Triggerbewegung erzeugt, die die Empfindlichkeit der Schwerkraftwahrnehmung positiv beeinflusst.« Dieser Effekt spielt seiner Einschätzung nach jedoch nur eine untergeordnete Rolle. »Das Netzwerk fungiert als eine Art Dämpfungssystem, damit die Statolithen nicht zu rasch nach unten sinken«, erklärt der Gravitationsbiologe. »So wird verhindert, dass die Pflanze überzogen schnell auf Bewegungen reagiert.«

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