Molekulare Grundlagen der Schwerkraftwahrnehmung bei Pflanzen



Im Experiment werden schwerkraftabhängige Signalwege in Pflanzen auf  molekularer Ebene analysiert. Durch verschiedene Sensormechanismen können sich Pflanzen im Raum orientieren. Dazu nutzen sie neben vielen veränderlichen Umwelteinflüssen wie Licht, Wasser oder Temperatur die Schwerkraft als einzige konstante Größe. Die Richtung der Schwerkraft leitet den Spross eines Pflanzenkeimlings zuverlässig nach oben in Richtung Licht, das zur Herstellung von energiereichem Zucker genutzt wird.

Wurzeln wachsen nach unten in die Erde, verankern den Pflanzenkörper und nehmen überlebenswichtige Nährstoffe und Wasser auf. Die Ausrichtung der verschiedenen Pflanzenorgane ist genetisch programmiert und wird durch biologische Mechanismen präzise kontrolliert. Jede Lageveränderung wird sofort wahrgenommen und korrigiert. Von einem Unwetter niedergedrückte Getreidehalme sind beispielsweise in der Lage, sich wieder vom Boden aufzurichten, so dass das Korn nicht verfault.

Experimente in Schwerelosigkeit an Bord des A300-Zero-G haben entscheidend dazu beigetragen, die Prozesse der Schwerkraftwahrnehmung in Pflanzen besser zu verstehen. Die Schwerkraft-wahrnehmenden Zellen in Spross und Wurzel besitzen leicht bewegliche Partikel (Statolithen). Sowohl für ein einzelliges Modellsystem, als auch für die Wurzelzellen der Höheren Pflanzen konnten die Bonner Wissenschaftler nachweisen, dass Statolithen sich nach Kippen der Pflanze in Richtung der Schwerkraft verlagern und dadurch Schwerkraftrezeptoren aktivieren.

Die Aktivierung erfolgt nicht durch Druck, also durch das Gewicht der Statolithen, wie lange vermutet wurde. Parabelflugexperimente haben bewiesen, dass auch schwerelose Statolithen allein durch Kontakt die Rezeptoren aktivieren. Direkte Wechselwirkungen zwischen Statolith und Rezeptor setzen eine Reihe von physiologischen Reaktionen in Gang, die durch eine Änderung des Zellwachstums die Ausrichtung des Pflanzenorgans korrigieren.

Nachdem die Biologen aufklären konnten, wie die Schwerkraftwahrnehmung in Pflanzenzellen funktioniert, sollen in diesem Experiment die molekularen Grundlagen dieser Sensormechanismen untersucht werden. Dazu werden Pflanzenkeimlinge der Ackerschmalwand (Arabidopsis) im Parabelflug verschiedenen Beschleunigungen ausgesetzt.

Einige Keimlinge  erfahren nur die normale Erdschwerkraft und erhöhte Beschleunigungen von fast doppelter Erdanziehungskraft, andere dagegen durchlaufen zusätzlich auch die 31 Schwerelosigkeitsphasen. Mit Hilfe einer neu entwickelten Schockgefrieranlage werden die verschiedenen Proben während des Parabelflugs an Bord des A300 Zero-G innerhalb weniger Sekunden eingefroren. Die Auswirkungen der verschiedenen Beschleunigungen auf die Gene der Pflanzen können so später im Labor analysiert werden. Komponenten des schwerkraftabhängigen Signalwegs können auf diese Weise identifiziert und deren Rolle bei der Ausrichtung der Pflanzenorgane nach der Schwerkraft bestimmt werden.


Kontakt
Jens Hauslage
Universität Bonn
, Institut für Molekulare Physiologie und Biotechnologie der Pflanzen (IMBIO)
Tel: +49 0228 73-2079

Fax: +49 0228 73-2677

E-Mail: hauslage@uni-bonn.de
Nicole Greuel
Universität Bonn
, Institut für Molekulare Physiologie und Biotechnologie der Pflanzen (IMBIO)
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