Forscher haben erstmals beobachtet, wie Pflanzen Wasser aufsaugen

Pflanzen hungern nach Wasser, genau wie wir Tiere, aber genau wie sie es durch ihr Gewebe aufsaugen, ist ein Rätsel geblieben, da der Versuch, es zu sehen, den Prozess verändert.

Der Physiker Flavius ​​Pascut von der University of Nottingham und sein Team konnten eine sanfte Bildgebungstechnik auf neue Weise anwenden, um die Innereien von Pflanzen bei der Arbeit in Echtzeit zu beobachten, während sie tranken.

„Wir haben eine Möglichkeit entwickelt, diesen Prozess auf der Ebene einzelner Zellen zu überwachen“, bemerkt Elektrophysiologe Kevin Webb von der University of Nottingham. „Wir können nicht nur sehen, wie das Wasser in der Wurzel aufsteigt, sondern auch, wo und wie es sich bewegt.“

Wasser ist nicht nur für Pflanzen essentiell, sondern dient auch als Vehikel für den Transport anderer wichtiger Nährstoffe, Mineralien und Biomoleküle in lebenden Strukturen. Die Effizienz, mit der Pflanzen die kostbare Flüssigkeit transportieren können, kann einen großen Einfluss auf ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber rauen Umweltbedingungen haben.

„Um die Wasseraufnahme lebender Pflanzen zu beobachten, ohne sie zu beschädigen, haben wir eine lasersensitive Lichtmikroskopie-Technik angewendet, um die Bewegung von Wasser in lebenden Wurzeln nicht-invasiv zu sehen, was noch nie zuvor gemacht wurde“, erklärt Webb.

Durch die Detektion, wie Lichtphotonen von einer schmalen Laserquelle gestreut werden, Raman-Mikrospektroskopie bietet Echtzeit-Bildgebung auf molekularer Ebene unter natürlichen Bedingungen, ohne dass eine molekulare Markierung erforderlich ist.

Diese Technik ist so empfindlich, dass sie die Masse und Orientierung von Molekülbindungen erkennen kann. Das heißt, Kontraste können durch die Verwendung von Molekülen geschaffen werden, die sich von ihrer Umgebung abheben – in diesem Fall Deuteriumoxid, sogenanntes schweres Wasser, anstelle von normalem Wasser. Deuterium ist ein Wasserstoffisotop, das ein Neutron sowie das übliche einsame Proton von normalem Wasserstoff besitzt und seine Masse verdoppelt.

Obwohl schweres Wasser etwas andere Eigenschaften hat, ist es dem normalen Wasser so ähnlich, dass es in kleinen Mengen physiologisch nichts verändert.

Der Scan entdeckte innerhalb von 80 Sekunden nach Exposition der Wurzeln der Forscher einen starken Wasserpuls am meisten untersuchte Pflanze, Thallusbrunnenkresse (Arabidopsis thaliana). Pascut und das Team setzten die blühende Pflanze abwechselnd normalem und schwerem Wasser aus, um zu beobachten, wie sich das neue Wasser durch das Gewebe der Pflanze bewegte.

Seltsamerweise entdeckten die Forscher nur das angesaugte Wasser aus dem Inneren der Wurzeln, wo das Wasser das Wurzelgewebe trägt xylem Dies zeigt, dass diese anfängliche Wasseraufnahme nicht mit dem umgebenden Gewebe geteilt wird, wenn es von den Wurzeln zum Rest der Pflanze aufsteigt.

Die Forscher glauben, dass dies bedeutet, dass es innerhalb der Pflanze „zwei Wasserwelten“ gibt und dass das zweite Wasserversorgungssystem Wasser an diese äußeren Gewebe verteilt.

Die Möglichkeit, diesen Prozess zu beobachten, wird uns helfen, ihn zu verstehen und die Ernten für die turbulente Zukunft besser zu planen.

„Ziel ist es, die globale Nahrungsmittelproduktivität zu steigern, indem Pflanzensorten mit den besten Überlebenschancen verstanden und verwendet werden, die in jeder Umgebung am produktivsten sein können, egal wie nass oder trocken es ist.“, bemerkt Webb.

Pascut und das Team entwickeln eine tragbare Version der Bildgebungstechnologie, um leichter zugängliche Feldstudien zu ermöglichen, und sie glauben auch, dass die Technik in Überwachungsgeräten im Gesundheitswesen verwendet werden könnte, obwohl unsere Zellen viel kleiner sind als die von Pflanzen.

Vorerst „verspricht uns dies jedoch, wichtige Fragen zu beantworten wie: Wie ‚fühlen‘ Pflanzen die Verfügbarkeit von Wasser?“ “ Erklären Malcolm Bennett, Pflanzenwissenschaftler an der University of Nottingham.

„Die Antworten auf diese Frage sind unerlässlich, um zukünftige Kulturen besser an die Herausforderungen anzupassen, vor denen wir stehen. Klimawandel und veränderte Wetterbedingungen.“

Diese Studie wurde veröffentlicht in Naturkommunikation.