Wurzelhosen als Pflanze-Boden Schnittstelle und ihre Bedeutung für Landwirtschaft und Züchtung

Zeichnung links:  hier sieht man Wurzelhosen an zwei Weizen-Sämlingen verschiedenen Alters. Quelle: Sachs 1882.


Bisher habe ich mich noch nicht so viel mit dem Thema Boden auseinandergesetzt – weder wissenschaftlich noch praktisch im Garten. Bis mein Kollege (Stephan Junge) am Fachgebiet Ökologischer Pflanzenschutz in einem Vortrag ein Foto einer sogenannten Wurzelhose (im Englischen rhizo sheath) zeigte. Man sah eine aus dem Boden gezogene Triticale-Pflanze, deren Wurzeln in einer dicken Erdschicht eingehüllt waren (ähnlich wie in der Zeichnung bei Sachs). Möglicherweise sei dies ein Effekt des regenerativen Kartoffelanbaues (Teil der regenerativen Landwirtschaft), dessen Ziel es ist den Boden während seiner landwirtschaftlichen Nutzung nicht nur zu erhalten sondern sogar zu verbessern. Möglicherweise hatte hier der regenerative Kartoffelanbau die Bodenentwicklung gefördert, was sich dann in den stark ausgeprägten Wurzelhosen der Triticale äußerte.

Schon in seinem Buch über die arabisch-ägyptische Flora von 1887 erwähnt Volkens Wurzelhosen und beschreibt sie folgendermaßen: “wie das Bein in der Hose, oder besser und ästhetischer ausgedruckt, wie eine Phryganeenlarve in dem selbst gebauten Gehause.“  (Volkens 1887, S.25/26). Mit Phryganeenlarven sind Köcherfliegenlarven gemeint, die man häufig ins Süßgewässern antrifft.

Jeder kann Wurzelhosen in seinem Garten beobachten. Das habe ich kürzlich auch gemacht. Man muss nur mal eine Wurzel irgendeiner Gras- oder Getreide-Art ausgraben. Sehr gut zu sehen ist dann eine Erdschicht, die ziemlich fest an den Wurzeln anhaftet, sich von diesen nur schwer lösen lässt und in der Tat wie eine Hose wirkt.

Manche Pflanzen haben eine besonders ausgeprägte Wurzelhose, z.B. Calamovilfa longifolia (Bergmann u. a. 2009), Cyperus laevigatus oder Cyperus capitatus (Hanna et al. 2013). Bei Cyperus laevigatus ermittelten Hanna et al. ein Wurzelhosengewicht, welches beim 60-fachen der eigentlichen Wurzelmasse lag.

 

Fotos oben: Das Foto stammt aus unserem Garten am Weinberg in Witzenhausen. Deutlich zu sehen sind die Wurzelhosen an einer jungen Graspflanze (vermutlich Weidelgras).


Der berühmte Pflanzenökologe A.G. Tansley und seine Schüler haben das Phänomen der Wurzelhose weiter studiert und als eine Anpassung von Wüstenpflanzen an die trockenen Wüsten-Klimata interpretiert (Price 1911). Einerseits hält die Wurzelhose die Feuchte und schütze die Wurzelhaare vor Austrocknung. Andererseits wird gleichzeitig die Wasseraufnahme verbessert, für die die Wurzelhaare benötigt werden. Auch ein Schutz gegen mechanische Belastungen wurde von Price vorgeschlagen.

Mittlerweile ist bekannt, dass Wurzelhosen vor allem bei Süßgräsern (Poacaea) vorkommen und damit auch bei einigen unserer wichtigsten Kulturpflanzen wie Weizen, Gerste, Roggen, Hafer, Mais und Sorghum. Allerdings kommen neueste Studien zu dem Schluss, dass Wurzelhosen viel breiter über die Pflanzenfamilien verbreitet sind, z.B. bei Spargelgewächsen, Lippenblütlern und Leguminosen (Brown u. a. 2017), wenn auch die meisten „Hosenträger“ bei den Süßgräsern vorkommen. Die Wurzelhosen haben deshalb wohl eine nicht unbedeutende Rolle bei unseren Kulturpflanzen und unserer Landwirtschaft.

Die Wurzelhose als Schnittstelle zwischen Pflanzen und Boden

Die Wurzelhose besteht aus den Wurzelhaaren, Mikroorganismen und organischen Sekreten, die von den Pflanzen  (z.B. Polygalacturonic) und Mikroorganismen abgegeben werden sowie mineralischen Bodenbestandteilen. Wurzelhaare und Sekrete vernetzen die mineralischen Bodenbestandteile und führen so zu einer übergeordneten Bodenstruktur und tragen so zu der sogenannten Aggregatstabilität bei (Bronick und Lal 2005). Damit ist die Wurzelhose eine Schnittstelle zwischen (Kultur-)-Pflanzen und dem Boden. Diese ist von großer Bedeutung für die Landwirtschaft und bietet einiges an Potential agrarökosysteme ökologischer zu gestalten.

Foto oben: eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnittes durch eine Wurzelhose. Man erkennt gut die verschiedenen Bestandteile der Wurzelhose: den eigentlichen Wurzelkörper in der Mitte umgeben von den Wurzelhaaren, welche die Bodenpartikel durchziehen. Quelle Bergmann et al. 2009.

Funktionen der Wurzelhose: Anpassung an Phosphatarmut, verdichtete Böden, Habitat für Bakterien

Die Wurzelhose hat möglicherweise eine ganze Reihe verschiedener Funktionen (über den Wasserhaushalt hinaus) für die Pflanze aber auch den Boden im Allgemeinen. Für die Pflanzen ist die Wurzelhose möglicherweise eine Art genereller Puffer gegen ungünstige Umweltbedingungen, wie z.B. einem sehr niedrigen PH-Wert (Brown et al. 2017).

In den Wurzelhosen ist die Zahl der Mikroorganismen im Vergleich zum umgebenden Erdreich um einiges höher (Bergmann et al 2009, Studie mit schönen eletronenmikroskopischen Bildern). Damit bildet die Wurzelhose ein Habitat für Mikroorganismen. Die Pflanzen konstruieren hier also für andere Organismen Nischen im Ökosystem (das bezeichnet man in der Ökologie auch als Nischenkonstruktion).

Da ein Hauptbestandteil der Wurzelhosen die Wurzelhaare sind, sind viele ihrer Funktionen den Wurzelhaaren zuzuschreiben (die allerdings wiederum ja von der Wurzelhose insgesamt geschützt werden und diese Funktion nur innerhalb der Wurzelhose wahrnehmen können). Eine mögliche interessante Eigenschaft, die wohl vor allem den Wurzelhaaren zuzuschreiben ist, ist die Fähigkeit in verdichtete Bodenstrukturen einzudringen (Haling u. a. 2013). Verdichtete Böden können ein erhebliches Problem in der Landwirtschaft sein, z.B. bei sehr minimaler Bodenbearbeitung.

Wurzelhaare verbessern außerdem die Aufnahme von immobilem Phosphaten, welches von der Pflanze nur in der unmittelbaren Umgebung aufgenommen werden können. Längere Wurzelhaare bzw. eine größere Wurzelhose verbessern die Posphat-Aufnahme durch eine stark vergrößerte Oberfläche. Besonders wichtig ist diese Funktion in phosphatarmen Böden. Dies ist dann wahrscheinlich ein zur Mykorrhiza alternativer Weg zur Phosphataufnahme (Schweigeret al 1995).

Eine Weitere mögliche Funktion (die ich hier als Hypothese in den Raums stelle), wäre eine antagonistische Wirkung auf Bodenpathogene.

All diese Funktionen ließen sich wahscheinlich in vielfältigerweise für eine ökologische Landwirtschaft nutzen, um die Grundlage für gesundere Böden und Kulturpflanzen zu legen.

Foto oben: elektronenmikroskopische Aufnahme von Wurzelhaaren bei Weizen. Links ist ein Genotyp mit kurzen Wurzelhaaren dargestellt und rechts ein Genotyp mit langen Wurzelhaaren. Der Genotyp mit kurzen Wurzelhaaren hat eine kleinere Wurzelhose als der mit den langen Wurzelhaaren (hier nicht dargestellt). Quelle: Delhaize et al. 2015.

Züchterische Bearbeitung von Wurzelhosen bei Kulturpflanzen

Aus Anwendungssicht sind die Wurzelhosen vor allem zur Einschätzung des Bodenqualität (Aggregatzustand) und der züchterischen Verbesserung unserer Kulturpflanzen sehr interessant. Da die Wurzelhaare ein wesentlicher Teil der Wurzelhose und der Kulturpflanzen sind, lässt sich die Wurzelhose prinzipiell durch züchterische Ansätze bearbeiten. Da Wurzelhaare nur relativ schwer zu beobachten sind, sind die Wurzelhosen eine interessante Eigenschaft, um Wurzelzüchtung bei Kulturpflanzen voranzutreiben. Wurzelhosen könnten gewissermaßen als phänotypischer Marker in der Selektion und Kreuzung eingesetzt werden. Dabei muss natürlich auch immer berücksichtigt werden, dass die verschiedenen Ausprägungen der Wurzelhose (verschiedene Größen) nicht nur das Resultat genetischer Variation sondern zum Teil auch umweltbedingt sind. In einer Studie konnte gezeigt werden, dass Wurzelhosengröße und Wurzelhaar-Länge stark korrelieren und das es beim Weizen genetische Variation in der Größe der Wurzelhose gibt und sich diese durch Kreuzung und Selektion beeinflussen lässt (Delhaize, James, und Ryan 2012). Dies weist auf ein interessantes züchterisches Potential hin. In der nächsten Zeit werde ich Wurzelhosen ein bischen genauer unter die Lupe nehmen.

Literatur

Bergmann, David, Mike Zehfus, Linda Zierer, Brian Smith, und Mark Gabel. 2009. „Grass rhizosheaths: associated bacterial communities and potential for nitrogen fixation“. Western North American Naturalist 69 (1): 105–114.

Bronick, Carol Jean, und Rattan Lal. 2005. „Soil structure and management: a review“. Geoderma 124 (1–2): 3–22.

Brown, Lawrie K., Timothy S. George, Konrad Neugebauer, und Philip J. White. 2017. „The rhizosheath–a potential trait for future agricultural sustainability occurs in orders throughout the angiosperms“. Plant and Soil 418 (1–2): 115–128.

Delhaize, Emmanuel, Richard A. James, und Peter R. Ryan. 2012. „Aluminium tolerance of root hairs underlies genotypic differences in rhizosheath size of wheat (Triticum aestivum) grown on acid soil“. New Phytologist 195 (3): 609–619.

Delhaize, Emmanuel, Tina M. Rathjen, und Colin R. Cavanagh. 2015. „The genetics of rhizosheath size in a multiparent mapping population of wheat“. Journal of experimental botany 66 (15): 4527–4536.

Haling, Rebecca E., Lawrie K. Brown, A. Glyn Bengough, Iain M. Young, Paul D. Hallett, Philip J. White, und Timothy S. George. 2013. „Root hairs improve root penetration, root–soil contact, and phosphorus acquisition in soils of different strength“. Journal of Experimental Botany 64 (12): 3711–3721.

Hanna, Amira L., Hanan H. Youssef, Wafaa M. Amer, Mohammed Monib, Mohammed Fayez, und Nabil A. Hegazi. 2013. „Diversity of bacteria nesting the plant cover of north Sinai deserts, Egypt“. Journal of advanced research 4 (1): 13–26.

Price, S. Reginald. 1911. „THE ROOTS OF SOME NORTH APRICAN DESERT-GRASSES.“ New Phytologist 10 (9–10): 328–340.

Sachs .J 1882 Vorlesungen fiber Pflanzenphysiologie. Englemann, Leipzig.

Volkens, G., 1887. Die Flora der aegyptisch-arabischen Wüste auf Grundlage anatomisch-physiologischer Forschungen. Gebrüder Borntraeger, Berlin, 156p.

Spannende Seite zu Mykorrhiza und Wurzeln: https://mycorrhizas.info/roles.html#intro

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