Wie Wurzelwachstum durch Nitrat gefördert wird

Beim Vergleich von 200 natürlichen Akzessionen, also unterschiedlichen Genotypen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, fiel eines auf: Manche Pflanzen bildeten deutlich längere Seitenwurzeln als andere. Über genetische Analysen fanden die Wissenschaftler einen Unterschied in einem Gen namens MEKK14. „Eine einzige Aminosäure im Protein MEKK14 entscheidet darüber, wie stark eine Pflanze ihre Seitenwurzeln ausbildet, sobald Nitrat vorhanden ist“, sagt Xiaofei Zhang, Erstautor der Studie. Pflanzen mit der aktiveren Variante wachsen besser in nitratreichem Medium.

Einfluss auf Seitenwurzeln

Das Gen codiert eine sogenannte Kinase – also ein Protein, das andere Proteine phosphorylieren und damit aktivieren kann. „Wir konnten in der Studie zeigen, dass Nitrat eine umfangreiche Signalkaskade aktiviert, also eine Kettenreaktion aus mehreren Kinasen und Transkriptionsfaktoren, die am Ende das Wachstum der Seitenwurzeln verstärkt“, sagt Zhongtao Jia, der diese Arbeiten am IPK Gatersleben begonnen und an der China Agricultural University in Beijing abgeschlossen hat. Man kann sich das vorstellen wie eine Art Alarmkette: Nitrat ist der Auslöser, MEKK14 der erste Schalter, der Transkriptionsfaktor CCA1 ein zentraler Koordinator – und am Ende erschließt die Wurzel das im Boden verfügbare Nitrat.

Besonders spannend: Der zentrale Transkriptionsfaktor CCA1, der am Ende der Signalkette aktiviert wird, aktiviert erneut das Gen MEKK14. So entsteht eine Verstärkerschleife. „Wir haben damit einen positiven Rückkopplungsmechanismus entdeckt, der das Nitrat-Signal verstärkt und die Wurzel gezielt wachsen lässt“ erklärt Zhongtao Jia. Diese Schleife sorgt dafür, dass die Pflanze nicht nur kurzzeitig reagiert, sondern ihre Wurzelarchitektur anpasst.

Weniger Düngung nötig

Die Signalkaskade wirkt jedoch nicht direkt auf das Wachstum, sondern schaltet auch das Pflanzenhormon Auxin an. Wenn Auxin aktiviert wird, teilen sich Zellen im Wurzelmeristem stärker und werden zudem länger – die Seitenwurzel wächst. Ohne funktionierende Signalkaskade bleibt das Auxin-Signal schwach. So haben die Forscherinnen und Forscher es erstmals geschafft, Nitrat-Signale, eine MAPK-Kaskade, eine Komponente der „inneren Uhr“ der Pflanze (CCA1) und das Wachstumshormon Auxin in einem Regelkreis zu verbinden.

Die Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für eine nachhaltige Landwirtschaft. „Unsere Studie bietet einen neuen molekularen Ansatzpunkt, um das Pflanzenwachstum gezielt zu verbessern“, erklärt Prof. Dr. Nicolaus von Wirén, Leiter der Abteilung „Physiologie und Zellbiologie“ am IPK und co-korrespondierender Autor. „Denn wenn es uns jetzt gelingt, auch in Kulturpflanzen unterschiedlich wirksame Genvarianten in dieser Signalkaskade zu finden, haben wir Instrumente, das Wurzelwachstum besser an die Stickstoffverfügbarkeit im Boden anzupassen. Gedüngter Stickstoff wird dadurch effizienter genutzt.“