Germany
July 10, 2023
Plant roots have their own thermometer to measure the temperature of the soil around them and they adjust their growth accordingly. Through extensive experiments, a team led by Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU), was able to demonstrate that roots have their own temperature sensing and response system. In a new study in "The EMBO journal", the scientists also provide a new explanation for how roots themselves detect and react to higher temperatures. The results could help develop new approaches for plant breeding.
Depending on the temperature, the plants have grown very differently. You can see the thale cress, vegetable cabbage and tomato (from left).
Foto: Uni Halle / Carolin Delker
The researchers used climate chambers to investigate how the plant model organism thale cress and the two crops cabbage and tomatoes react to rising ambient temperatures. They increased the ambient temperature from 20 to 28°C (68 to 82.4 degrees Fahrenheit). "Until now, it was assumed that the plant shoot controlled the process for the entire plant and acted as a long-distance transmitter that signalled to the root that it should alter its growth," says Professor Marcel Quint from the Institute of Agricultural and Nutritional Sciences at MLU. His team has now been able to disprove this through extensive experiments in cooperation with researchers from the Leibniz Institute of Plant Biochemistry (IPB), ETH Zurich and the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne. In one experiment, scientists cut off the shoot of the plants but allowed the roots to continue to grow. "We found that the roots were not affected by this and grew at elevated temperatures in the same way as on plants with intact shoots. The higher temperature stimulated cell division and the roots became significantly longer," says Quint. The team also used mutant plants whose shoots could no longer detect and respond to higher temperatures. Those were grafted onto roots without this defect. Here, too, the roots were able to react to the heat in the soil, even though the shoot did nothing.
The researchers found in all of their experiments that root cells increased the production of the growth hormone auxin, which was then transported to the root tips. There, it stimulated cell division and enabled the roots to reach further down into the soil. "As heat and drought usually occur in tandem, it makes sense for the plants to tap into deeper and cooler soil layers that contain water," Quint explains.
Scientists have understood how plant shoots react to higher temperatures for some time. Their cells also produce more auxin, but the plant reacts differently than its roots. The cells in the shoot stretch, the stalk grows taller, and the leaves become narrower and grow farther apart.
The study also provides new insights for plant breeding. "In view of climate change, root growth is becoming more and more important for breeding. Understanding the molecular basis for temperature-dependent root growth might help to effectively equip plants against drought stress and achieve stable yields in the long term," says Quint. Quint's team will continue its work in this field of research in the coming years. A few weeks ago, the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) granted him around 500,000 euros for a new research project on precisely this topic.
The study was funded by the DFG, the Chinese Scholarship Fund, the Rosa Luxemburg Foundation, the Alexander von Humboldt Foundation and the Max Planck Society.
Study: Ai H. et al. Auxin-dependent regulation of cell division rates governs root thermomorphogenesis. The EMBO Journal (2023): doi: 10.15252/embj.2022111926
Studie zu Pflanzen: Auch Wurzeln können Wärme messen
Pflanzenwurzeln verfügen über ein eigenes Thermometer, um die Temperatur im Boden zu messen und ihr Wachstum daran anzupassen. Das zeigt eine neue Studie unter Leitung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) im "The EMBO Journal". Bislang ging man davon aus, dass der Pflanzenspross das Wurzelwachstum steuert. Mit umfangreichen Experimenten konnten die Forschenden diese Annahme widerlegen und eine neue Erklärung dafür liefern, wie Wurzeln selbst auf höhere Temperaturen reagieren. Die Ergebnisse könnten dabei helfen, neue Ansätze für die Pflanzenzüchtung zu entwickeln.
Die Forschenden untersuchten in Klimakammern, wie die Pflanzen Ackerschmalwand, Gemüsekohl und Tomaten auf steigende Umgebungstemperaturen reagieren. Dabei hoben sie die Temperatur von 20 auf 28 Grad Celsius an. "Bisher ging man davon aus, dass der Pflanzenspross den Prozess für die Pflanze insgesamt steuert und der Wurzel über eine Art Langstreckensender ein Signal gibt", sagt Prof. Dr. Marcel Quint vom Institut für Agrar- und Ernährungswissenschaften der MLU. Das konnte sein Team nun in Kooperation mit Forschenden des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie (IPB), der ETH Zürich und des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln mit umfangreichen Experimenten widerlegen. In einem Versuch schnitten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Spross der Pflanzen ab, ließen aber die Wurzeln weiterwachsen. "Wir konnten beobachten, dass die Wurzeln bei erhöhten Temperaturen trotzdem genauso wuchsen wie bei Pflanzen mit intaktem Spross: Durch die erhöhte Temperatur wurde ihre Zellteilung angekurbelt und die Wurzeln wurden deutlich länger", sagt Quint. Das Team nutzte auch mutierte Pflanzen, deren Spross nicht mehr auf Temperaturen reagieren konnte. Dieser wurde dann auf Wurzeln gepfropft, die diesen Defekt nicht hatten. Auch hier konnten die Wurzeln auf die Wärme im Boden reagieren, während das beim Spross nicht passierte.
Für alle Versuche stellten die Forschenden fest, dass in den Wurzelzellen mehr von dem Wachstumshormon Auxin produziert und dann in die Wurzelspitzen transportiert wird. Dort sorgt es dafür, dass die Zellteilung angekurbelt wird und die Wurzeln so weiter in die Tiefe reichen. "Wärme und Trockenheit treten meist gemeinsam auf. Für die Pflanzen ist es daher sinnvoll, tiefere und kühlere Schichten mit Wasservorräten zu erschließen", erklärt Quint.
Im Pflanzenspross läuft ein ähnlicher Prozess ab, der bereits seit Längerem bekannt ist. Allerdings sorgt das Auxin hier dafür, dass die Zellen gestreckt werden: Der Spross wird länger, die Blätter werden schmaler und stehen weiter voneinander ab.
Die Studie liefert auch Hinweise für die Pflanzenzüchtung. "Angesichts des Klimawandels wird das Wurzelwachstum für die Züchtung immer wichtiger. Damit lassen sich Pflanzen womöglich effektiv gegen Trockenstress rüsten und langfristig stabile Erträge erzielen", so Quint. Je genauer die molekularen Signalwege in den Pflanzen verstanden werden, desto besser lassen sich mögliche Ansatzpunkte für die Züchtung entwickeln. Hierzu wird das Team um Quint auch in den kommenden Jahren forschen: Vor wenigen Wochen bewilligte ihm die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) etwa 500.000 Euro für ein neues Forschungsprojekt zu genau diesem Thema.
Die Studie wurde von der DFG, vom Chinesischen Stipendienfonds, von der Rosa-Luxemburg-Stiftung, der Alexander von Humboldt-Stiftung und der Max-Planck-Gesellschaft gefördert.
Studie: Ai H. et al. Auxin-dependent regulation of cell division rates governs root thermomorphogenesis. The EMBO Journal (2023): doi: 10.15252/embj.2022111926
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