Neue Aspekte in der Nährstoffaufnahme von Pflanzenwurzeln

Transmembran Transportproteine ermöglichen die Nährstoffaufnahme in Pflanzenwurzeln entweder durch aktiven Transport entgegen oder durch passiven Transport entlang eines elektrochemischen Gradienten. Nährstoffaufnahme von Wurzeln ist ein kinetischer, von der Nährstoffkonzentration in der externen Lösung abhängiger Prozess, der als Michaelis-Menten Wurzelaufnahmekinetik formalisiert wurde. Einige neue Studien zeigen allerdings Abweichungen vom klassischen Michaelis-Menten Mo- dell. Entgegen der Annahme dass ausschließlich Transportereigenschaften den Pflanzenaufnahmefluss bestimmen wurde gezeigt, dass durch ungerührte Fluidschichten, die sich sogar in gut gerührten Nähr- lösungen in der Nähe von Pflanzenwurzeln bilden, die Ionendiffusion den Nährstoffaufnahmenluss durch limitierte Ionennachlieferung an die Wurzelzellenoberfläche kontrollieren kann. Ausserdem haben wir kürzlich gezeigt dass Phosphorefflux stark an den Wurzelspitzen von Maiswurzeln lokali- siert ist und nicht, wie vorher angenommen, homogen über die gesamte Wurzeloberfläche verteilt ist. In diesem Forschungsprojekt zielen wir auf ein besseres Verständis der Nährstoffaufnahme durch Pflanzen durch die Erhebung eines umfangreichen Datensatzes über Diffusionslimitierungen in der Nährstoffaufnahme und über die Lokalisierung von Ionenefflux aus Wurzeln ab. Weiters bestimmen wir den Einfluss dieser Effekte auf die Simulation der Nährstoffaufnahme. Messungen und Simulatio- nen erfolgen mit einer Reihe höchst innovativer und neuartiger Techniken chemischer Abbildungen, der Nährlösungsbeprobung und der numerischen Simulation. Wir erwarten, dass die Ergebnisse dieses Projekts das momentane Verständnis der Pflanzennährstoff- aufnahme signifikant erweitern, spezielle auf der sub-mm Skala, deren experimentelle Untersuchung sehr anspruchvoll ist.

Das übergeordnete Ziel dieses Projekts war es, die Nährstoffaufnahme durch Pflanzenwurzeln im Hinblick auf das zugrundeliegende konzeptionelle Verständnis neu zu bewerten. In vielen Studien hat die Nährstoffaufnahmekapazität von Pflanzenwurzeln den größeren Teil der wissenschaftlichen Aufmerksamkeit erhalten, während die Fähigkeit des Bodens, einer Wurzel Nährstoffe nachzuliefern, die den Nährstoffpool des Bodens kontinuierlich abreichert, häufig wenig Beachtung gefunden. Darüber hinaus ist die Messung der Affinität von Wurzeln zur Aufnahme von Nährstoffen experimentell schwierig und hat zu einer zu starken Betonung der Nährstoffaufnahmeeigenschaften der Wurzeln und zu einer Unterbewertung der Nährstoffnachlieferfähigkeit von Böden beigetragen. Während der Nährstoffaufnahme gehen auch kleine Nährstoffmengen von den Wurzeln in den umgebenden Boden verloren, was als Nährstoffefflux bezeichnet wird. Die Lokalisierung der Nährstoffaufnahme (Influx) und des Efflux ist experimentell besonders schwierig. In diesem Projekt haben wir Methoden entwickelt, mit denen Influx und Efflux entlang von Pflanzenwurzeln auf einer räumlichen Skala im Zehntelmillimeterbereich lokalisiert werden kann. Wir konnten zeigen, dass Nährstoffinflux und -efflux ähnliche räumliche Muster entlang der Pflanzenwurzelachsen aufweisen, ein Aspekt der Nährstoffaufnahme, über den bisher nur wenige Informationen verfügbar waren. Darüber hinaus verwendeten wir diese Methode zur Lokalisierung von Efflux, um den komplexen Nährstoffkreislauf rund um Pflanzenwurzeln, die in Böden und in marinen Sedimenten wachsen, zu untersuchen. In einem anderen Teil des Projekts haben wir einen neuartigen Ansatz entwickelt, um die Kinetik (d.h. den zeitlichen Verlauf) der Nährstofffreisetzung von Böden zu messen, die für die mathematische Simulation der Nährstoffaufnahme von Pflanzenwurzeln benötigt wird. Die Verwendung komplexerer, aber auch realistischerer mathematischer Modelle für die Beschreibung der Freisetzungskinetik führte zu einer besseren Übereinstimmung von experimentellen und simulierten Daten. In zwei unabhängigen Studien konnten wir auch zeigen, dass die Kinetik der Nährstofffreisetzung im Boden häufig die Nährstoffaufnahme der Pflanzen steuert. Dieses Projekt hat das derzeitige Verständnis der pflanzlichen Nährstoffaufnahme hinsichtlich der Rolle des Nährstoffinflux und -efflux sowie der Nährstoffnachlieferungskinetik von Böden für die pflanzliche Nährstoffaufnahme erweitert.