Der Geotropismus ist der Einfluss der Schwerkraft auf die Bewegung von Pflanzen. Geotropismus kommt von den Wörtern "Geo", was Erde bedeutet, und "Tropismus", was Bewegung bedeutet, die durch einen Reiz verursacht wird (Öpik & Rolfe, 2005).
In diesem Fall ist der Reiz die Schwerkraft und was sich bewegt, ist die Pflanze. Da der Reiz die Schwerkraft ist, wird dieser Prozess auch als Gravitropismus bezeichnet (Chen, Rosen & Masson, 1999; Hangarter, 1997).
Seit vielen Jahren weckt dieses Phänomen die Neugier von Wissenschaftlern, die untersucht haben, wie diese Bewegung in Pflanzen abläuft. Viele Studien haben gezeigt, dass verschiedene Bereiche der Pflanze in entgegengesetzte Richtungen wachsen (Chen et al., 1999; Morita, 2010; Toyota & Gilroy, 2013).
Es wurde beobachtet, dass die Schwerkraft eine grundlegende Rolle bei der Ausrichtung der Pflanzenteile spielt: Der obere Teil, der aus dem Stamm und den Blättern besteht, wächst nach oben (negativer Gravitropismus), während der untere Teil aus dem besteht Wurzeln, wächst in Richtung der Schwerkraft nach unten (positiver Gravitropismus) (Hangarter, 1997).
Diese durch die Schwerkraft vermittelten Bewegungen stellen sicher, dass die Pflanzen ihre Funktionen ordnungsgemäß ausführen.
Der obere Teil ist auf das Sonnenlicht ausgerichtet, um die Photosynthese durchzuführen, und der untere Teil ist auf den Boden der Erde ausgerichtet, so dass die Wurzeln das Wasser und die Nährstoffe erreichen können, die für ihre Entwicklung notwendig sind (Chen et al., 1999) ).
Wie kommt es zu Geotropismus?
Pflanzen sind äußerst umweltempfindlich. Diese können ihr Wachstum in Abhängigkeit von den von ihnen wahrgenommenen Signalen beeinflussen, z. B. Licht, Schwerkraft, Berührung, Nährstoffe und Wasser (Wolverton, Paya & Toska, 2011).
Geotropismus ist ein Phänomen, das in drei Phasen auftritt:
Detektion : Die Wahrnehmung der Schwerkraft erfolgt durch spezialisierte Zellen, sogenannte Statozysten.
Transduktion und Übertragung : Der physikalische Schwerkraftreiz wird in ein biochemisches Signal umgewandelt, das an andere Zellen der Pflanze übertragen wird.
Antwort : Die Rezeptorzellen wachsen so, dass eine Krümmung entsteht, die die Orientierung des Organs verändert. Somit wachsen die Wurzeln nach unten und die Stängel nach oben, unabhängig von der Ausrichtung der Pflanze (Masson et al., 2002; Toyota & Gilroy, 2013).
Abbildung 1. Beispiel für Geotropismus in einer Pflanze. Beachten Sie den Unterschied in der Ausrichtung der Wurzeln und des Stiels. Herausgegeben von: Katherine Briceño.
Geotropismus in den Wurzeln
Das Phänomen der Neigung der Wurzel zur Schwerkraft wurde vor vielen Jahren erstmals untersucht. In dem berühmten Buch "Die Kraft der Bewegung in Pflanzen" berichtete Charles Darwin, dass Pflanzenwurzeln dazu neigen, in Richtung Schwerkraft zu wachsen (Ge & Chen, 2016).
Die Schwerkraft wird an der Wurzelspitze erfasst und diese Information wird an die Dehnungszone übertragen, um die Wachstumsrichtung beizubehalten.
Wenn sich die Ausrichtung in Bezug auf das Schwerkraftfeld ändert, ändern die Zellen ihre Größe so, dass die Wurzelspitze weiterhin in derselben Schwerkraftrichtung wächst und einen positiven Geotropismus aufweist (Sato, Hijazi, Bennett, Vissenberg & Swarup) , 2017; Wolverton et al., 2011).
Darwin und Ciesielski zeigten, dass es an der Wurzelspitze eine Struktur gab, die für das Auftreten von Geotropismus notwendig war. Sie nannten diese Struktur "Kappe".
Sie postulierten, dass die Kappe für die Erfassung von Änderungen in der Ausrichtung der Wurzeln in Bezug auf die Schwerkraft verantwortlich ist (Chen et al., 1999).
Spätere Studien zeigten, dass sich in der Kappe spezielle Zellen befinden, die in Richtung der Schwerkraft sedimentieren. Diese Zellen werden als Statozysten bezeichnet.
Statozysten enthalten steinartige Strukturen, sie werden Amyloplasten genannt, weil sie voller Stärke sind. Da Amyloplasten sehr dicht sind, sedimentieren sie direkt an der Wurzelspitze (Chen et al., 1999; Sato et al., 2017; Wolverton et al., 2011).
Durch neuere Studien in der Zell- und Molekularbiologie hat sich das Verständnis des Mechanismus, der den Wurzelgeotropismus steuert, verbessert.
Es wurde gezeigt, dass dieser Prozess den Transport eines Wachstumshormons namens Auxin erfordert. Dieser Transport ist als polarer Auxintransport bekannt (Chen et al., 1999; Sato et al., 2017).
Dies wurde in den 1920er Jahren im Cholodny-Went-Modell beschrieben, das vorschlägt, dass Wachstumskrümmungen auf eine ungleichmäßige Verteilung der Auxine zurückzuführen sind (Öpik & Rolfe, 2005).
Geotropismus in den Stielen
Ein ähnlicher Mechanismus tritt in den Stängeln von Pflanzen auf, mit dem Unterschied, dass ihre Zellen unterschiedlich auf Auxin reagieren.
In den Trieben der Stämme fördert die Erhöhung der lokalen Konzentration von Auxin die Zellexpansion; Das Gegenteil tritt in Wurzelzellen auf (Morita, 2010; Taiz & Zeiger, 2002).
Die unterschiedliche Empfindlichkeit gegenüber Auxin erklärt Darwins ursprüngliche Beobachtung, dass Stämme und Wurzeln umgekehrt auf die Schwerkraft reagieren. Sowohl in den Wurzeln als auch in den Stängeln sammelt sich Auxin an der Unterseite in Richtung Schwerkraft an.
Der Unterschied besteht darin, dass Stammzellen auf Wurzelzellen umgekehrt reagieren (Chen et al., 1999; Masson et al., 2002).
In Wurzeln wird die Zellausdehnung an der Unterseite gehemmt und eine Krümmung in Richtung Schwerkraft erzeugt (positiver Gravitropismus).
In den Stängeln reichert sich Auxin auch auf der unteren Seite an, jedoch nimmt die Zellausdehnung zu und führt zu einer Krümmung des Stiels entgegen der Schwerkraft (negativer Gravitropismus) (Hangarter, 1997; Morita, 2010; Taiz & Zeiger, 2002).
Verweise
- Chen, R., Rosen, E. & Masson, PH (1999). Gravitropismus in höheren Pflanzen. Plant Physiology, 120, 343 & ndash; 350.
- Ge, L. & Chen, R. (2016). Negativer Gravitropismus in Pflanzenwurzeln. Nature Plants, 155, 17–20.
- Hangarter, RP (1997). Schwerkraft, Licht und Pflanzenform. Plant, Cell and Environment, 20, 796–800.
- Masson, PH, Tasaka, M., Morita, MT, Guan, C., Chen, R., Masson, PH, … Chen, R. (2002). Arabidopsis thaliana: Ein Modell zur Untersuchung des Wurzel- und Sprossgravitropismus (S. 1–24).
- Morita, MT (2010). Directional Gravity Sensing beim Gravitropismus. Annual Review of Plant Biology, 61, 705–720.
- Öpik, H. & Rolfe, S. (2005). Die Physiologie blühender Pflanzen. (CU Press, Ed.) (4. Ed.).
- Sato, EM, Hijazi, H., Bennett, MJ, Vissenberg, K. & Swarup, R. (2017). Neue Einblicke in die gravitrope Signalübertragung von Wurzeln. Journal of Experimental Botany, 66 (8), 2155–2165.
- Taiz, L. & Zeiger, E. (2002). Pflanzenphysiologie (3. Aufl.). Sinauer Associates.
- Toyota, M. & Gilroy, S. (2013). Gravitropismus und mechanische Signalübertragung in Pflanzen. American Journal of Botany, 100 (1), 111–125.
- Wolverton, C., Paya, AM & Toska, J. (2011). Wurzelkappenwinkel und gravitrope Ansprechrate sind in der Arabidopsis pgm-1-Mutante entkoppelt. Physiologia Plantarum, 141, 373–382.