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Elektro-Signale in der Wurzelspitze der Pflanzen: Forscher weisen Aktionspozentiale nach

17.02.2009
Lange Zeit herrschte unter Botanikern Einigkeit, dass Pflanzenzellen ausschließlich mittels chemischer Signale kommunizieren.

Neuere Studien stellen dieses Paradigma jedoch zunehmend in Frage. Der jüngste Anhaltspunkt stammt von Forschern der Universitäten Florenz und Bonn: Sie konnten in der Wurzelspitze von Mais spontan auftretende elektrische Signale nachweisen, die von Zelle zu Zelle weiter geleitet wurden.

In vielerlei Hinsicht ähneln diese Aktionspotenziale denen niederer Tiere. Die Ergebnisse der Studie erscheinen heute in der Online Early Edition der Zeitschrift PNAS (doi: 10.1073/pnas.0804640106).

Die Forscher spekulieren, dass die Wurzel auf diese Weise Informationen über ihre Umgebung wahrnimmt und weiter gibt. Diese könnten dann beispielsweise an anderer Stelle in Wachstumssignale umgesetzt werden. Die Wurzelspitze kann so beispielsweise auf der Suche nach Wasser und Nährstoffen sensorische Information wahrnehmen und bearbeiten. Sie kann aber auch schnell auf toxische Substanzen im Boden reagieren, indem sie in eine andere Richtung wächst.

Dass Pflanzen Aktionspotenziale bilden, wusste vor über 130 Jahren bereits Charles Darwin. Nach der Entdeckung der so genannten "Pflanzenhormone" im ersten Drittel des 20. Jahrhunderts konzentrierten sich die Botaniker jedoch mehr und mehr auf die chemischen Signalwege. Die Elektrophysiologen unter den Pflanzenforschern fristen seitdem allenfalls ein Nischendasein.

Signalgeschwindigkeit wie bei niederen Tieren

Das könnte sich aber ändern: In jüngster Zeit häufen sich nämlich die Berichte, dass Pflanzen tatsächlich zu elektrischer Kommunikation fähig sind. In dieser Hinsicht scheinen sie sehr viel mehr den niederen Tieren zu ähneln als bislang angenommen. Die aktuelle Publikation schlägt in dieselbe Kerbe: "Wir haben nachgewiesen, dass in der Wurzelspitze von Mais immer wieder spontane elektrische Entladungen stattfinden", erklärt Dr. František Baluška von der Universität Bonn. "Diese Aktionspotenziale werden von Zelle zu Zelle weiter geleitet, und zwar mit einer ähnlichen Geschwindigkeit wie bei Quallen oder manchen Würmern."

Außerdem beobachtete das deutsch-italienische Team, dass die Zellen ihre elektrische Aktivität synchronisieren: Es gab Phasen, in denen an verschiedenen Stellen der Wurzelspitze gleichzeitig Aktionspotenziale entstanden. Danach folgte eine mehrsekündige wurzelweite Funkstille. "Wir können nicht sagen, wozu das dient", gibt Baluška zu. "Die Spekulation liegt aber nahe, dass die Zellen auf diese Weise ihr Verhalten koordinieren. So weiß man, dass bestimmte Transportvorgänge in der Wurzel oszillieren, und zwar zellübergreifend. Dafür könnten die elektrischen Signale verantwortlich sein."

Hormone sind zu langsam

Der Botaniker ist sicher, dass die Bedeutung der elektrischen Signalwege in der Wurzelspitze bislang völlig unterschätzt wurde. "Die Kommunikation mittels Aktionspotenzialen läuft viel schneller als die mittels Hormonen", sagt er. "Das war auch lange das Argument mancher Kritiker: So einen schnellen Signalweg braucht eine Pflanze gar nicht. Wir wissen heute jedoch, dass die Wurzelspitze kontinuierlich rund 20 Bodenparameter scannt. Wenn sie beispielsweise auf Giftstoffe stößt, ändert die Wurzel blitzschnell ihre Wuchsrichtung."

Besonders flott reagieren Wurzeln auf Änderungen ihrer Lage. Die Maiswurzel verfügt dazu über Schwerkraftsensoren in ihrer Wurzelhaube. Deren Signale führen zu einer entsprechend geänderten Wuchsrichtung. Erste Reaktionen lassen sich mit empfindlichen Messinstrumenten bereits nach zwei Sekunden nachweisen. "Die Wachstumszone liegt aber relativ weit von dem Schwerkraftsensor in der Wurzelhaube entfernt", betont Baluška. "Eine Signalübermittlung mittels chemischer Botenstoffe wäre viel zu langsam, um bereits nach wenigen Sekunden messbare Effekte zu erzeugen. Die hohe Geschwindigkeit der Signalübertragung spricht in diesem Fall eindeutig für elektrische Signalwege."

Spatiotemporal dynamics of the electrical network activity in the root apex: A multielectrode array (MEA) study. E. Masi, M. Ciszak, G. Stefano, L. Renna, E. Azzarello, C. Pandolfi, S. Mugnai, F. Baluška, F. T. Arecchi, and S. Mancuso. PNAS Online Early Edition, 17.2.2009

Kontakt:
Dr. František Baluška
Abteilung für Pflanzenzellbiologie
Institut für Zelluläre und Molekulare Botanik
Universität Bonn
Telefon: 0228/73-4761
E-Mail: baluska@uni-bonn.de

Frank Luerweg | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-bonn.de
http://ds9.botanik.uni-bonn.de/zellbio/AG-Baluska-Volkmann/

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