WAICO: Wie orientieren sich Pflanzen ohne Schwerkraft?

WAICO wird im Biolab durchgeführt

Gleich nach dem Columbus-Start im Februar 2008 lief WAICO in Biolab an, ein Experiment zur Bedeutung der Schwerkraft für das Pflanzenwachstum. In zwei Versuchsläufen wurde untersucht, wie das Wachstum von Pflanzenwurzeln unter unterschiedlichen Schwerkraftbedingungen und in der Schwerelosigkeit abläuft.

Die Versuche wurden im biologischen Forschungslabor Biolab an Bord von Columbus durchgeführt. Versuchsobjekte waren der Wildtyp und verschiedene Mutanten der Ackerschmalwand-Pflanze (Arabidopsis). Diese Pflanze entwickelte sich wegen ihrer Vorteile zum Modellorganismus für Grundlagenforscher: einfache Anzucht auf engem Raum und kurzer, etwa sechswöchiger Lebenszyklus von der Aussaat bis zur Samenreife.

Gravitropismus und Zirkumnutation

Keimung und Wachstum von Pflanzen orientieren sich an zwei Naturkonstanten: am Licht und an der Schwerkraft. Der fotosynthetisch aktive Pflanzenspross wächst in Richtung Licht und vom Erdmittelpunkt weg.
Die Wurzeln, die die Pflanze mit Grundstoffen versorgen und im Boden verankern, wachsen in Richtung Erdmittelpunkt. Verantwortlich dafür sind schwerkraftempfindliche Zellen in den Wurzelspitzen. Diesen schwerkraftgesteuerten Vorgang bezeichnet man als Gravitropismus.
Zudem schwingt die wachsende Wurzelspitze hin und her, was zu wellen- und spiralförmigem Wurzelwachstum führt, so dass sich die Wurzeln korkenzieherartig ins Erdreich bohren. Diese Drehbewegungen bezeichnet man als Zirkumnutation.

Das Experiment

Das Experiment WAICO (Waving and Coiling Response of Arabidopsis Roots at Different g-levels) sollte durch Modifikation beziehungsweise Ausschaltung der Schwerkrafteinwirkung neue Erkenntnisse über das Zusammenwirken und den Zusammenhang von Gravitropismus und Zirkumnutation liefern. Vor allem wollte man herausfinden, ob die Zirkumnutation der Ackerschmalwand-Wurzeln endogen, d.h. schwerkraftunabhängig erfolgt.

WAICO-1 & -2

Wurzeln, gewachsen auf der Erde (oben) und im All (unten)

Das von der Universität Hannover kommende Experiment sah zwei ISS-Versuchsläufe vor – WAICO 1 (Februar/März 2008) und WAICO 2 (April/Mai 2010) – sowie eine eingehende Untersuchung der im All gewachsenen Ackerschmalwand-Pflanzen auf der Erde.
Am 29. Februar 2008 nahm der französische ESA-Astronaut Léopold Eyharts die WAICO-Anlage in Betrieb. Die Experimentcontainer mit Pflanzensamen wurden auf den Zentrifugen des Biolab-Inkubators platziert, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotierten und so unterschiedliche Schwerkraftverhältnisse simulierten. Dabei wurden sie rund um die Uhr von Kameras beobachtet. So konnte das Wurzelwachstum kontinuierlich mitverfolgt werden.
Nach zwei Wochen wurde das Pflanzenwachstum künstlich gestoppt, die Arabidopsis-Pflanzen konserviert und später auf der Erde molekular- und zellbiologisch untersucht.
Parallel zu den Versuchen auf der ISS wurden zu Vergleichszwecken auch auf der Erde Ackerschmalwand-Pflanzen in absolut identischen Experimentcontainern angezüchtet.

Erste Ergebnisse

Trotz gewisser Unterschiede zwischen Wildtyp und Mutante zeigten beide auch bei reduzierter Schwerkraft wellen- und kreisförmiges Wachstum (Zirkumnutation), was für einen endogenen Wachstumsmechanismus spricht, der Wurzeln auf einer Seite stärker, d.h. asymmetrisch wachsen lässt. Eine Überraschung war aber, dass sich eine Mutante, die auf der Erde deutlich anders aussah als der Wildtyp, sich in der Schwerelosigkeit völlig identisch zum Wildtypen entwickelte: So wurde durch Verwendung einer Mutante ein Gen entdeckt, das für eine schwerkraftabhängige Veränderung der Pflanzenorgane verantwortlich ist (Gravimorphogenese). Ferner zeigte sich, dass im Verhältnis zu Keimlingen, die in Schwerkraft wuchsen, in Schwerelosigkeit die normalen Reaktionen der Keimlinge auf Schatten (wie z.B. „Schießen“ und Blattexpansion) bei der Mutante deutlich stärker ausgeprägt waren als im Wildtyp. Dies konnte aus der vergleichenden Charakterisierung der Mutanten-Eigenschaften im Labor am Boden geschlossen werden. Zudem erscheint der Transport des Pflanzenhormons Auxin in Schwerelosigkeit beeinträchtigt.

Nutzen des Experiments

Zuallererst handelt es sich um biologische Grundlagenforschung. Die WAICO-Resultate verbessern vor allem unser generelles Verständnis des Pflanzenwachstums. Sie können so die Züchtung neuer Pflanzensorten mit optimiertem Wachstum ermöglichen und für eine effektivere Gestaltung der Landwirtschaft sorgen. Zugleich liefert WAICO aber auch Erkenntnisse für den Anbau von Pflanzen auf künftigen längeren Weltraum-Missionen, da eine verstärkte Vermeidungsreaktion auf Schatten in einem Weltraum-Gewächshaus berücksichtigt werden sollte, z.B. auf Raumstationen oder beim Flug zum Mars.

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Günther Scherer
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
Institut für Zierpflanzen- und Gehölzwissenschaften
Abteilung Molekulare Ertragsphysiologie
Herrenhäuser Straße 2
D – 30419 Hannover
Tel: +49 (0) 511 762 – 3153
scherer @ zier.uni-hannover.de

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