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Botanik: Um die Ecke gebracht

Pflanzen spüren anhand der Schwerkraft, wo oben und wo unten ist - und richten sich mit Spross und Wurzel danach. Auf welche Weise sie den Einfluss der Erde wahrnehmen und umsetzen, ist allerdings noch in weiten Teilen ungeklärt. Die Suche nach den Verantwortlichen erinnert an kriminalistisches Indiziensammeln.
Vakuole mit AggregatenLaden...
Woher weiß der Keimling in der Erde, in welche Richtung er seine Wurzeln und seinen ersten, zarten Spross treiben soll – ist es doch dunkel rund um ihn herum? Die Schwerkraft hilft ihm, so viel ist klar. Doch immer noch gibt es viele Rätsel rund um diese Wahrnehmung und wie sie die weitere Entwicklung beeinflusst.

Eines allerdings hat sich inzwischen herauskristallisiert: Das Endomembransystem der Zellen – also fast alle irgendwie miteinander verbundenen oder über Vesikel kommunizierenden Membranen – spielt hier eine entscheidende Rolle. Aber welche? Klassischerweise züchten Forscher hierzu Pflanzen, die sie genetisch so verändern, dass ihnen bestimmte Komponenten des Systems oder Nachrichtenübermittler fehlen – dann sollten sich im Mangel die jeweiligen Aufgaben offenbaren. Dummerweise, und doch gleichzeitig auch nachvollziehbar, bekommen die Manipulationen an diesem überlebenswichtigen Zellsystem den Versuchsorganismen aber meist sehr schlecht bis überhaupt nicht: Oft sind sie schlicht nicht lebens- und damit auch nicht erforschungsfähig.

Das Wissenschaftlerteam um Marci Surpin wählte daher einen anderen Ansatz. Die Forscher von der Universität von Kalifornien in Riverside betätigten sich als chemische Detektive, indem sie zunächst den Einfluss von 10 000 künstlichen organischen Substanzen auf das Wachstum der unter Botanikern so beliebten Modellpflanze Arabidopsis thaliana erprobten. Hierzu ließen sie ihre Pflänzchen zunächst im Hellen keimen und setzten sie dann ins Dunkle, um den Einfluss des Lichts auszuschalten. Dabei aber drehten sie das junge Grün auch noch in die Horizontale. Warum? Nun, normalerweise richtet sich eine solche Pflanze durch die Schwerkraft gelenkt wieder auf – stört jedoch eine dem Gießwasser zugesetzte Substanz die Wahrnehmung oder Weitergabe der Richtungsinformation, bleibt der Knick im Stängel aus.

In dem nahezu unübersehbaren Ausgangssortiment versteckten sich tatsächlich 219 Kandidaten, die den Ackerschmalwand-Jünglingen den aufstrebenden Weg verwehrten oder ihn übermäßig verstärkten. Diesen Kreis der Verdächtigen engten die Forscher in der zweiten Runde weiter ein, weil ihnen vor allem an Substanzen gelegen war, die dem Pflanzenhormon Auxin kaum bis gar nicht ähnelten. Denn von ihm ist bereits bekannt, dass es seine Finger im Spiel hat, wenn Pflanzen oben und unten irgendwie durcheinander bringen. Surpin und Kollegen waren aber auf der Suche nach Neuem.

Also wählten sie 69 überwiegend Auxin unähnliche Moleküle aus und prüften deren Auswirkungen auf das Um-die-Ecke-Wachstum nun in verschiedenen Konzentrationen. Und siehe da: Nur noch 34 zeigten einen eindeutig ihnen zuzuschreibenden Effekt – wieder eine Sortimentsreduktion um die Hälfte.

Geschädigte VakuoleLaden...
Geschädigte Vakuole | Die vier näher untersuchten Substanzen veränderten die normale Gestalt und Struktur der pflanzlichen Vakuole: Beispielsweise bilden sich Aggregate oder vesikelartige Strukturen.
Dann kam die nächste Einschränkung: Die Substanzen sollten schließlich nur das so schwer zu erforschende, weil so zentrale Endomembransystem beeinträchtigen. Also untersuchten die Forscher den Einfluss der noch übrigen Kandidaten unter dem Mikroskop und fanden fünf, welche die Gestalt der Vakuole der Pflanzenzelle, und damit auch deren Membransystem, massiv veränderten.

Ein Molekül entzog sich dabei der Identifizierung durch massenspektrometrische Methoden; es fiel also durchs weitere Fahndungsraster. Die anderen vier jedoch, von denen eins immer noch aus der näheren Auxin-Verwandtschaft stammte, konnten die Wissenschaftler jetzt genauer betrachten. Dabei zeigte sich, dass der fehlende Knick bei manchen zu Stande kommt, indem die Substanz nicht etwa das eckige Emporstreben hemmt, sondern das Wachstum der Pflanze insgesamt. Auch waren Wurzeln und Spross unterschiedlich stark betroffen: Der Auxin-Cousin wirkte stärker auf die Wurzeln, ein anderes Molekül ausschließlich auf den Spross. Einige, aber nicht alle Veränderungen waren umkehrbar, wenn die Pflänzchen wieder reines Gießwasser erhielten.

Die verschiedenen Reaktionen zeigen, wie vielfältig die Beeinträchtigung der pflanzlichen Schwerkraftswahrnehmung sein kann – und damit, dass nun zahlreiche Stoffwechselwege der näheren Begutachtung harren. Sie bestätigen auch, dass das chemische Detektivspiel Erfolg haben kann, auch wenn er mager wirken mag: Schließlich liegt bei einer Ausgangssituation von 10 000 Verdächtigen, um fünf Schuldige zu finden – von denen auch noch einer unbekannt bleibt –, die Trefferquote bei nur 0,04 Prozent. Und eines wird sicherlich vor allem deutlich: Welch schönes Beispiel dies für die unausweichliche Fleißarbeit in der Forschung ist, die tagtäglich in unzähligen Labors dieser Welt praktiziert wird.
15.03.2005

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 15.03.2005

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