PSI-ForscherInnen entdecken: Pflanzen schaffen sich Wasservorrat im Boden für schlechte Zeiten

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Dass Wurzeln den Boden in ihrer nächsten Umgebung verändern, ist lange bekannt – hier leben andere Mikroorganismen und auch die chemische Zusammensetzung ist anders als weiter weg von der Wurzel. Nun hat ein internationales Forschungsteam in Experimenten am Paul Scherrer Institut gezeigt, dass der Boden in der Nähe der Wurzel auch mehr Wasser enthält – entgegen bisherigen Vorstellungen, dass es dort weniger Wasser geben müsste, weil die Pflanze dem Boden das Wasser entzieht.

Offenbar legen sich die Pflanzen aber einen kleinen Wasserspeicher an, der ihnen über kürzere Trockenperioden hinweghelfen kann. Diese Erkenntnisse könnten langfristig bei der Zucht von Pflanzen helfen, die besser mit Trockenheitsperioden zurechtkommen oder die Entwicklung von effizienten Bewässerungssystem unterstützen. Die Ergebnisse wurden durch Experimente mit Neutronentomografie am Paul Scherrer Institut möglich – einem Verfahren, das es möglich macht, die Verteilung des Wassers auf Bruchteile eines Millimeters genau zu zeigen, ohne dass die Pflanze aus dem Boden genommen werden müsste. Ihre Ergebnisse haben die Forschenden in der renommierten Zeitschrift New Phytologist veröffentlicht.

„Die Frage, wie Pflanzen Wasser aufnehmen, ist nicht nur für die Entwicklung von neuen, wassereffizienten Pflanzensorten relevant, sondern auch für die Verbesserung von Klimamodellen." erklärt Sascha Oswald vom Institut für Erd- und Umweltwissenschaften der Universität Potsdam. „Denn mehr als die Hälfte allen Wassers, das durch Niederschläge auf die Erde fällt, wird von Pflanzen aufgenommen und gelangt durch die Pflanzen hindurch wieder in die Atmosphäre." Ein Forschungsprojekt, an dem er mit mehreren Kollegen arbeitet, soll zeigen, was genau an der Stelle geschieht, an der die Pflanze das Wasser über die Wurzel aufnimmt. „Pflanzen nehmen Wasser aus dem Boden über die feinen, einige Millimeter dünnen Wurzeln auf – die dickeren Wurzeln dienen eher als Pipelines, die das Wasser weiterleiten. Wir wollen die Wasserverteilung um diese Wurzeln herum verstehen." erklärt Ahmad Moradi von der University of California Davis.

Neutronen zeigen Wassergehalt ohne die Pflanzen zu stören

„Die entscheidenden Vorgänge geschehen hier im Massstab von einigen Millimetern. Damit wir nicht das Entscheidende verpassen, brauchen wir also ein Verfahren, das Details zeigt, die kleiner sind als ein Millimeter. Und das man einsetzen kann, ohne die Pflanze aus dem Boden zu nehmen." erläutert Moradi die technische Herausforderung. Die passende Methode fanden die Forscher in der Neutronentomografie am Paul Scherrer Institut. Hier haben sie die Pflanzen mitsamt umgebender Erde mit Hilfe von Neutronen durchleuchtet. Mit diesen Teilchen kann man ähnlich wie mit Röntgenstrahlen in das Innere von verschiedenen Objekten sehen, es werden aber andere Aspekte sichtbar. So bilden Neutronen Wasser besonders deutlich ab, während Metall oder Sand für sie fast durchsichtig sind. „Wurzeln bestehen zu 90% aus Wasser. Wenn man sie untersuchen will, oder die Wasserbewegung im Boden, sind Neutronen das bessere Werkzeug als Röntgenstrahlen" betont Moradi.

So konnten die Forschenden ein genaues dreidimensionales Bild der Wasserverteilung um die Wurzeln erzeugen und feststellen, wie viel Wasser sich an verschiedenen Stellen im Boden befand. „Für diese Messung wurde die Mikroskopie-Option der Anlage genutzt, so dass man Bilder mit einer Auflösung von 20 Bildpunkte pro Millimeter erzeugen konnte. So war es möglich, das Wasser mit der nötigen Genauigkeit sichtbar zu machen." erklärt Eberhard Lehmann, dessen Gruppe die Anlagen am PSI betreibt. „Wir haben drei Messplätze, an denen wir Bilder mit Neutronen erzeugen können – jeder mit anderen Eigenschaften. So konnten wir verschiede Optionen für das Experiment ausprobieren. Ein grosser Vorteil der PSI-Anlagen ist auch, dass sie rund um die Uhr in Betrieb sind, und man so die Pflanzen über einen gesamten Tag-Nacht-Zyklus beobachten konnte." Das PSI ist in der Schweiz die einzige Einrichtung, an der Neutronen für die Forschung verfügbar sind.

Mehr Wasser an der Wurzel

Resultat der Untersuchungen ist, dass der Boden in einem Bereich von einigen Millimetern um die Wurzel rund 30% mehr Wasser enthält als der restliche Boden. Dass die Wurzel ihre unmittelbare Umgebung deutlich verändert, ist bereits länger bekannt. In dieser so genannten Rhizosphäre leben deutlich mehr Mikroorganismen als anderswo und die Konzentration an nützlichen Metallen ist niedriger, weil die Pflanze die Metallionen dem Boden entzieht. So ähnlich hatte man sich das bisher auch beim Wasser vorgestellt – das übliche Bild war, dass die Wasserkonzentration in der Nähe der Wurzel kleiner ist als in grösserer Entfernung, weil die Wurzel Wasser aus dem Boden aufnimmt und dieses erst mit der Zeit nachfliesst. Die Experimente widerlegen nun diese Vorstellung, und zwar für alle drei untersuchten Pflanzenarten, nämlich Mais, Lupine und Kichererbse.

Wasservorrat für schlechte Zeiten

„Über die Frage, wie sich die Wasserkonzentration um die Wurzeln herum erhöht, können wir erstmal nur spekulieren. Vermutlich ist eine gallertartige Substanz, die die Wurzel aussondert, verantwortlich. Diese Substanz kann das 10'000-fache ihres Trockengewichts an Wasser binden. So könnte sich die Pflanze einen Vorrat für kurze Trockenperioden schaffen." erklärt der Bodenphysiker Andrea Carminati von der Universität Göttingen. Auch wenn dieser Vorrat nicht für lange Dürreperioden reicht, könnte er helfen, eine Periode von bis zu 12 Stunden zu überbrücken, in der die Pflanze sonst von einer Wasserzufuhr abgeschnitten ist. „Wenn man an die praktische Anwendungen dieser Ergebnisse denkt, so könnten sie helfen, Pflanzen zu züchten, die Trockenzeiten besser standhalten. Man könnte auch lernen Pflanzen gerade so zu bewässern, dass sie keinen Schaden durch Trockenheit nehmen." ergänzt Sascha Oswald.

Das Projekt

Das Forschungsprojekt wird von Forschern des Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ, der University of California Davis, der Universität Potsdam und der Universität Göttingen betrieben, die zuvor gemeinsam am UFZ gearbeitet haben. Die dargestellten Experimente wurden am Paul Scherrer Institut PSI (Villigen, Schweiz) durchgeführt und von PSI-Wissenschaftlern betreut.

Text: Paul Piwnicki

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Mensch und Gesundheit, sowie Energie und Umwelt. Mit 1400 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Über die University of California Davis

Seit mehr als 100 Jahren engagiert sich die Universtity of California Davis auf den Gebieten Lehre, Forschung und Dienst für die Öffentlichkeit – zum Wohle Kaliforniens und der Welt. In der Nähe kalifornischen Hauptstadt gelegen, hat UC Davis mehr als 32'000 Studenten, mehr als 21'000 Mitarbeitende und einen Lehrkörper von mehr als 2'500 Personen. Die Universität unterhält 13 spezialisierte Forschungszentren und hat ein jährliches Forschungsbudget von mehr als 678 Millionen US$. Sie bietet interdisziplinäre Postgraduierten-Studiengänge und Bachelorstudiengänge in mehr als 100 Fächern, die sich auf vier Colleges verteilen: Landwirtschaft und Umwelt, Biologie, Ingenieurwesen sowie Geistes- und Naturwissenschaften. Zusätzlich beitreibt UC Davis Fakultäten für Erziehungswissenschaft, Management, Medizin, Tiermedizin und eine Krankenpflegeschule.

Über die Universität Potsdam

Die Universität Potsdam gehört zu den jüngeren Hochschulen der Bundesrepublik Deutschland. Ihre Gründung erfolgte 1991. Die Alma Mater ist die größte Hochschule im Bundesland Brandenburg - mit mehr als 100 Studienprogrammen in 30 Disziplinen. Fast 21.000 Studierende erhalten hier ihre akademische Ausbildung. Rund 250 Professorinnen und Professoren und ingesamt 2000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in den Bereichen Wissenschaft/ Forschung sowie Technik/Verwaltung sind an der Einrichtung beschäftigt. Eine herausragende Rolle spielen die Kognitions-, Bio- und Geowissenschaften.

Originalveröffentlichung:

Three-dimensional visualization and quantification of water content in the rhizosphere

Ahmad B. Moradi, Andrea Carminati, Doris Vetterlein, Peter Vontobel, Eberhard Lehmann, Ulrich Weller, Jan W. Hopmans, Hans-Jörg Vogel and Sascha E. Oswald

New Phytologist (2011) doi: 10.1111/j.1469-8137.2011.03826.x

Quelle und Bild: Paul Scherrer Institut

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