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Forschungszentrum Jülich beteiligt sich an Studien zu Pflanzenwachstum in Schwerelosigkeit

Wie reagieren Wachstumszonen von Wurzeln in Schwerelosigkeit? Eine Arbeitsgruppe des Instituts für Chemie und Dynamik der Geosphäre (ICG-III, Phytosphäre) untersucht während der 8. Parabelflugkampagne des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) die Wachstumskinematik von Wurzeln der molekularbiologischen Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) bei schnell fluktuierender Schwerkraft. Unter der Federführung der Arbeitsgruppe Gravitationsbiologie der Universität Bonn forschen die Wissenschaftler bei diesen Experimenten nach grundlegenden Mechanismen der Orientierung von Pflanzen im Gravitationsfeld der Erde.

Im März dieses Jahres wurde das kombinierte Video/Pflanzenmodul der Arbeitsgruppe 'Dynamik pflanzlichen Wachstums' um Dr. Achim Walter erstmals im Rahmen einer so genannten 'Parabelflugkampagne' eingesetzt. Während der "Parabeln" steigt ein Flugzeug in etwa 6000 Meter Höhe mit vollem Schub steil in die Luft, reduziert dann den Schub schlagartig, schießt in einer ballistischen Kurve wie ein Projektil zunächst über 2000 Meter höher, stürzt dann in die Tiefe und wird beim Erreichen der Ausgangshöhe wieder abgefangen. Bei diesem Flugmanöver wechseln sich 20 Sekunden lange Phasen von "Gravitationsfreiheit" mit Phasen simulierter erhöhter Gravitation ab. Das hierfür verwendete, weltweit einmalige Flugzeug der Firma Novespace ist ein speziell umgerüsteter Airbus A 300, in dem einige Dutzend Teams von Wissenschaftlern ausgewählte Experimente zu verschiedensten Forschungsthemen durchführen. 31 Parabeln flog der Jülicher Doktorand Andrés Chavarria-Krauser im März während der 42. ESA-Kampagne, um dabei das Verhalten von Wurzeln bei fluktuierenden Schwerkraftbedingungen im Detail zu studieren. "Ziel des Experimentes war es, herauszufinden, wie schnell sich aus dem Erdschwerefeld ausgelenkte Wurzeln bezüglich ihrer Krümmungsdynamik auf veränderte Schwerkraftvektoren anpassen", erklärt Chavarria-Krauser.

Parallel zu einer zeitlich und räumlich hochaufgelösten Analyse der Wurzelkrümmung visualisierten die Forscher, wie schnell die internen Schwerkraftsensoren der Pflanze auf die veränderten Bedingungen reagieren: Kleine Stärkekörnchen in der Pflanzenzelle (Statolithen) übernehmen diese Aufgabe. Sie messen Betrag und Richtung der Schwerkraft in Relation zur Längsachse der Wurzel, indem sie sich innerhalb der Zelle verlagern. Da diese molekularen Kontrollmechanismen ebenfalls auf kleinen Orts- und Zeitskalen stattfinden, ist eine zeitlich und räumlich hohe Auflösung essenziell. Ein verbesserter Aufbau der Jülicher wird nun vom 15. bis zum 26. Mai während der achten Parabelflugkampagne der DLR vom Flughafen Köln-Bonn aus an drei Flugtagen an den Start gehen. Die Experimente dieser Kampagne werden im Rahmen der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung ILA am 19. Mai in Berlin einer breiten Öffentlichkeit vorgestellt.

Mit dieser 'Wurzel-Gravitropismus-Forschung', bei der auch gentechnisch modifizierte Organismen verwendet werden, wollen die Wissenschaftler die Physiologie von pflanzlichen Wurzeln grundlegend verstehen. Die Wurzel sorgt für die Wasser- und Nährstoffaufnahme der Pflanze und bildet so den zentralen Stützpfeiler pflanzlichen Lebens und damit der weltweiten Nahrungsmittelproduktion. Immer mehr Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die Leistungsfähigkeit dieses verborgenen Organs von entscheidender Bedeutung dafür ist, wie produktiv der oberirdische Teil unserer Pflanzen sein kann und wie gut er eine Trockenstressperiode oder andere ungünstige Zeiträume überdauern kann.

Eine zentrale Fähigkeit der Wurzel ist es, schnellstmöglich den Weg in die Tiefe zu finden gegen allerlei Widerstände im Boden wie etwa ungünstige Porenstrukturen, Steine oder andere Hindernisse. Die Wurzel orientiert sich auf ihrem Weg in den Untergrund an einer Vielzahl von Faktoren - einer der wichtigsten ist dabei das Schwerefeld der Erde. Wird die Wurzel durch ein Hindernis aus ihrer langsamen, aber stetigen Bewegung parallel zum Vektor der Schwerkraft abgedrängt, so muss sie dies schnellstmöglich wahrnehmen und darauf reagieren. Die Reaktion besteht in einer hormonell gesteuerten Veränderung des Wachstums, die sich in einer Krümmungsbewegung im vordersten Bereich der Wurzel äußert. Die Gesetzmäßigkeiten der Wahrnehmung und der Beteiligung von Zellen verschiedener Entwicklungsstadien werden derzeit weltweit intensiv erforscht.

Wissenschaftler der Arbeitsgruppe 'Dynamik pflanzlichen Wachstums' haben in den vergangenen Jahren am Jülicher Umwelt-Institut bildsequenzverarbeitende Techniken sowie Anbaumethoden für Jungpflanzen entwickelt, die es ermöglichen, der Wurzel auf die Schliche zu kommen. Mit Zeitrafferfilmen können die Forscher Wachstumsbewegungen im Infrarotlichtbereich aufnehmen und in zellulärer Auflösung angeben, an welcher Stelle die Wurzel sich mit welcher Intensität ausdehnt beziehungsweise krümmt. Bildverarbeiter Dr. Hanno Scharr: "Mit Hilfe unserer Algorithmen, die ähnlich dem menschlichen Bildverarbeitungssystem im Gehirn optische Flüsse quantifizieren können, sind wir weltweit führend bei der quantitativen Beschreibung pflanzlicher Wachstumsdynamik". Diese Algorithmen werden benutzt, um eine ganze Reihe verschiedener Mechanismen des Wachstums pflanzlicher Wurzeln und Blätter zu studieren und die Anpassungsleistungen von Pflanzen an eine veränderte Umweltsituation zu verstehen.

Dr. Achim Walter, ICG III

http://www.spacebio.uni-bonn.de/Parabel/42ESA.htm

http://www2.fz-juelich.de/icg/icg-iii/Forschung/Projektbereiche/Wachstum


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