Phosphorernährung durch benachbarte Proteoidwurzler

Phosphor (P) ist ein wichtiger und gleichzeitig limitierter Pflanzennährstoff, der sich durch eine niedrige Bioverfügbarkeit in Böden auszeichnet. Eine verbesserte P-Nutzung in der Landwirtschaft ist daher von großer ökologischer und sozioökonomischer Bedeutung. Proteoidwurzeln sind spezialisierte Wurzelabschnitte, mit einer außergewöhnlichen P-Mobilisierungs- und - Nutzungseffizienz. Dieses Projekt geht der Frage nach, wie in natürlichen und landwirtschaftlichen Kontexten P zwischen Proteoid- und Nicht-Proteoidwurzlern aufgeteilt wird. Wächst ein Nicht- Proteoidwurzler neben einer Pflanze, die diese büscheligen Strukturen ausbildet, so kann es zu verbesserter P-Aufnahme in der Nachbarpflanze kommen. Die Lebensdauer dieser Proteoidwurzeln beschränkt sich nur auf wenige Tage. Deshalb erscheint es notwendig, dass benachbarte Pflanzen mittels gerichtetem Wurzelwachstum zur richtigen Zeit am richtigen Ort sind, um von der Aktivität der Proteoidwurzeln profitieren zu können. Ob und wie es zu solch einem gerichteten Wurzelwachstum kommt, ist bislang unerforscht. Im Gegensatz zu den aktuell genutzten Kultur- und Modellpflanzen, entstanden Proteoidwurzler unter extrem P-armen Bedingungen. Die alten Böden der Südwest-Australischen Ökoregion zählen zu den P-ärmsten Böden der Welt. Auf ihnen entwickelten sich eine Vielzahl an Proteoidwurzlern gemeinsam mit nicht-prodeoidwurzelbildenden Arten. Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, zu bestimmen (i) ob und wie australische Nicht- Proteoidwurzler das Entstehen von benachbarten Proteoidwurzeln wahrnehmen, um ihr Wurzelwachstum danach auszurichten und (ii) ob die dabei relevanten Mechanismen in landwirtschaftlichen Mischkulturen aus Weizen und der proteoidwurzelbildenden Weißlupinie eine Rolle spielen. Hierzu werden Mehrarten-Rhizobox Experimente und Bioassays an australischen Pflanzen mit Proteoidwurzelexudaten durchgeführt, um zu bestimmen ob die Exsudate das Wurzelwachstum beeinflussen. Anschließend wird eine proteomische Analyse sekretorischer Proteine der Weizenrhizosphäre vorgenommen, um den systemischen Einfluss von Nachbarpflanze und P-Verfügbarkeit zu bestimmen. Diese proteomische Analyse ist auch Grundlage für die gezielte relative Quantifizierung von extrazellulären P-mobilisierenden Enzymen, wodurch der Beitrag von Weizenproteinen zur Gesamtphosphatase-Aktivität des Bodens bemessen werden soll. Schließlich werden die raumzeitlichen P-Dynamiken zwischen Weizen- und Weißlupinienwurzeln mittels chemischer Bildgebung analysiert, um die Bedeutung der zuvor identifizierten Mechanismen in landwirtschaftlichen Mischkulturen zu untersuchen. Dieses Projekt wird unser Verständnis über direkte und indirekte Wurzelinteraktion in natürlichen und agronomischen Pflanzengesellschaften erweitern. Das Projekt wird neue Mechanismen der verbesserten P Aufnahme darlegen und somit einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung P-effizienter Nutzpflanzen und Anbaupraktiken leisten.

Das Projekt widmete sich der Frage, wie Phosphor (P) zwischen Proteoid- und Nicht- Proteoidwurzelbildenden Pflanzenarten aufgeteilt wird. Proteoidwurzeln sind spezialisierte Wurzelabschnitte, mit einer außergewöhnlichen P-Mobilisierungs- und -Nutzungseffizienz, die von einigen Pflanzenarten ausgebildet werden. Wächst ein Nicht-Proteoidwurzler neben einer Pflanze, die diese büscheligen Strukturen ausbildet, so kann es zu verbesserter P-Aufnahme in der Nachbarpflanze kommen. Ob und wie benachbarte Pflanzen mittels gerichtetem Wurzelwachstum auf die Entstehung von Proteoidwurzeln in ihrer unmittelbaren Umgebung reagieren, konnte bisher nicht festgestellt werden. Im Rahmen des Projektes wurden Laborexperimente mit australischen Pflanzen durchgeführt und die Postitionierung von Wurzeln, Nährstoffgehalt und entsprechende wurzelanatomische Parameter, die für die Nährstoffaufnahme entscheidend sind, analysiert. Unsere Messungen zeigten, dass in der Gegenwart von Proteoidwurzlern bestimmte Nicht-Proteoidwurzler einen größeren Anteil ihrer Wurzelmasse in Nähe der Proteoidwurzeln positionieren. Sie wiesen dünnere Wurzeln und erhöhten Nährstoffgehalt im Blatt auf. Bekannte organische Anionen, die im Wurzelexudate der Proteoidwurzeln zu finden sind konnten als direktes bzw. indirektes Signal für ein derart gerichtetes Wurzelwachstum ausgeschlossen werden. Ein weiterer Teil des Projektes befasste sich mit der Relevanz dieser Erkenntnisse im landwirtschaftlichen Kontext. Im Labor wurden Mischkulturen aus Weizen und der proteoidwurzelbildenden Weißlupinie mittels proteomischer und bildgebender Verfahren untersucht. Im Gegensatz zur Rhizosphäre der Weißlupine, sind die extrazellulären pflanzliche Phosphatasen des Weizens eng mit den Zellwänden der Wurzel assoziiert. Der Beitrag von Weizenproteinen zur Gesamtphosphatase- Aktivität jenseits der Zellwände der Wurzel scheint somit äußerst gering zu sein. Aufgrund dieser Arbeit, wird gezeigt, dass Proteoidwurzler Wurzeldurchmesser, -positionierung und Entwicklung ihrer Nachbarn beeinflussen können und unter nährstoffarmen Bedingungen deren Ernährung begünstigen.