MUCILAGE: die hydraulische Brücke zwischen Wurzel und Boden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Andrea Carminati; Professorin Dr. Gabriele Schaumann; Professorin Dr. Doris Vetterlein
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 252464214

Wasser ist essenziell für das Wachstum von Pflanzen. Die im Zuge des globalen Klimawandels zunehmende Wasserknappheit bedroht die Nahrungsmittelproduktion auf der Erde. Je knapper Wasser wird, desto wichtiger wird die Fähigkeit der Pflanzen, auf den Bodenwasservorrat zugreifen zu können. Der von den Wurzeln ausgeschiedenen Mucilage wird hierbei eine wichtige Rolle zugeschrieben. Es sind jedoch weder die einzelnen Prozesse und Mechanismen noch deren Dynamik hinreichend bekannt. Welchen Einfluss Mucilage auf die Wasseraufnahme von Pflanzen hat und inwiefern sich zugrunde liegende Prozesse und Mechanismen zwischen Pflanzenarten oder Bodentypen unterscheiden ist noch zu klären. Das Ziel dieses Projektes ist es, die Funktion der Mucilage bei der Regulation der Wasseraufnahme zu verstehen. Unsere zentrale Hypothese ist, dass Mucilage die Wasserversorgung der Pflanze auf zwei Arten optimiert: 1) indem sie bei mittleren Wassergehalten eine hydraulische Brücke zwischen Boden und Wurzel erhält (Brückenfunktion), und 2) indem sie bei starker Austrocknung die wasserleitende Verbindung durch eine vorübergehende Hydrophobisierung unterbricht (Schutzfunktion). Um diese Hypothesen zu überprüfen, verbinden wir Prozesse auf der supramolekularen Skala (Wassereinlagerung, Gelbildung, Selbstorganisationsprozesse) schrittweise mit den makroskopisch auftretenden hydraulischen Eigenschaften in Boden und Rhizosphäre (hydraulische Leitfähigkeit, Wasserverteilung) und mit der Wurzelwasseraufnahme in realen und Modellsystemen. Wir untersuchen Mucilage (von verschiedenen Fabaceae und Poaceae) und Modell-Gele (insbesondere PGA-Ca) und deren Mischungen mit Boden in Abhängigkeit von Lösungszusammensetzung und Wassergehalt. Auf der supramolekularen Skala werden die Gele, und deren Mischungen mit Boden im Hinblick auf die Bindung und molekulare Mobilität von Wasser mittels 1H-NMR-Relaxometrie, Diffusometrie und Differenzial Scanning Kalorimetrie untersucht, sowie auf deren rheologischen Eigenschaften und Kontaktwinkel. Diese werden mit der hydraulischen Leitfähigkeit der Gele und Gemische in Zusammenhang gebracht. Zunächst werden Untersuchungen an homogenen Gemischen durchgeführt. In einem zweiten Schritt wird das Gel um eine Kunstwurzel herum platziert, um eine reale geometrische Verteilung von Mucilage in der Rhizosphäre zu simulieren. Die Wurzelwasseraufnahme wird mit einer Wurzeldrucksonde untersucht, die mit einzelnen, im Boden gewachsenen Wurzeln verbunden ist. Die Wurzeldrucksondenmessungen werden mit neutronenradiographischen Untersuchungen zur Wasserverteilung in der Rhizosphäre gekoppelt. Die Experimente werden mit einem numerischen Modell simuliert, welches die Dynamik des radialen Wasserflusses in eine Einzelwurzel unter dem Einfluss von Mucilage in der Rhizosphäre beschreibt. Mit diesem kombinierten Ansatz entsteht ein mechanistisches Verständnis zur Funktion der Mucilage für die Boden-Pflanze Interaktionen und ihrer Bedeutung für die Trockenresistenz von Pflanzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen