Pflanzen lieben auch Weggabelungen? Entschlüsselung ihrer verzweigten Weisheit und Strategien

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Gu Dan (Institut für Botanik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Geheimnisse der Biowissenschaften zu entschlüsseln, hat das Spitzentechnologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Neues Wissen über das Leben“ veröffentlicht, die Lebensphänomene interpretiert und die Geheimnisse der Biologie aus einer einzigartigen Perspektive enthüllt. Tauchen wir ein in die Welt des Lebens und erkunden wir die unendlichen Möglichkeiten.

Auf unserem wunderschönen Planeten gibt es Pflanzen aller Art in unterschiedlichen Formen und Größen. Manche sind hoch und anmutig, manche winden und kriechen, manche sind üppig und belaubt und manche sind einzigartig. Was dominiert diese Pflanzenformen?

Für Pflanzen sind Blätter in verschiedenen Formen und Blüten in unterschiedlichen Farben und Düften am attraktivsten, und Zweige als Träger der Schönheit sind der Schlüssel zur Gestaltung der äußeren Kontur von Pflanzen. Die Zweige einer Pflanze sind die Äste, die sich vom Hauptstamm einer Pflanze nach außen erstrecken. Die Äste eines großen Baumes sind die Zweige, die von den großen Bäumen am Straßenrand abstehen.

Warum haben Pflanzen Zweige?

Im Gegensatz zu Tieren sind Pflanzen meist im Boden verwurzelt und können bei widrigen Bedingungen Gefahren nicht durch Weglaufen entgehen. Um mit verschiedenen widrigen Ereignissen fertig zu werden, haben Pflanzen über einen langen Zeitraum einzigartige Überlebensmechanismen entwickelt. Die Verzweigung ist für Pflanzen eine wichtige Überlebens- und Schutzmaßnahme.

Zunächst einmal unterstützen Äste und Blätter das Wachstum und die Vermehrung der Pflanzen. Auch wenn einzelne Äste beschädigt sind, kann das normale Wachstum der gesamten Pflanze gewährleistet werden. Zweitens können sich Pflanzen durch ihre unterschiedlichen Verzweigungsarten weitestgehend an die Umgebung anpassen. Das entwickelte Verzweigungssystem ermöglicht es den Pflanzen, Ressourcen wie Wasser, Nährstoffe und Licht optimal zu nutzen. Unter bestimmten Bedingungen wählen Pflanzen auch selbstständig die für sie am besten geeignete Verzweigungsmethode entsprechend den Umweltbedingungen aus, um sicherzustellen, dass sie gut leben können.

Auf welche Weise verzweigen sich Pflanzen?

Verschiedene Pflanzen haben ihre eigene, einzigartige Verzweigungsmethode, die auch unterschiedliche Pflanzenformen hervorbringt.

Bei manchen Gehölzen ist der Hauptstamm deutlich zu erkennen. Es entsteht durch das kontinuierliche Aufwärtswachstum der Endknospe zu einer Hauptachse mit deutlicher Dominanz, während die Verlängerung und Verdickung der Äste deutlich schwächer ausgeprägt ist als beim Hauptstamm. Das typischste Beispiel hierfür sind beispielsweise die Pappeln, die wir am Straßenrand sehen. Die meisten Nacktsamer, wie Lärchen und Urweltmammutbäume, gehören zu dieser Art. Einige Nadelbäume in der kalten Zone haben einen ausgeprägten Hauptstamm und dicht beieinander liegende Äste, die eine pyramidenartige Struktur bilden. Dies hilft, Wärmeverlust zu vermeiden und verhindert auch, dass Äste durch starken Schneefall abbrechen.

Bildquelle: Veer Gallery

Bei manchen Gehölzen ist der Hauptstamm nicht erkennbar. Die oberste Knospe wächst langsam oder stirbt nach einer gewissen Zeit ab. Die unmittelbar darunter liegenden Seitenknospen übernehmen die Aufgabe und bilden dicke Seitenäste. Nach einer gewissen Wachstumsphase verlagert sich der Wachstumsvorteil auf die nächste Ebene der Seitenzweige und dieser Zyklus wiederholt sich. Dieser Hauptstamm besteht aus vielen Seitenästen. Diese Form der Verzweigung wird als sympodiale Verzweigung bezeichnet, wie sie beispielsweise bei Apfelbäumen vorkommt, und trägt dazu bei, dass die Bäume mehr Platz einnehmen und mehr Früchte tragen. Bei Pflanzen mit gegenständigen Blättern ist das Verzweigungsmuster etwas anders. Nachdem die obere Knospe aufgehört hat zu wachsen, wachsen die beiden seitlichen Knospen darunter gleichzeitig und bilden zwei gegabelte Seitenäste. Die Wachstumsaktivität der neuen Zweige ist die gleiche wie die des Mutterzweigs. Eine typische falsch-dichotome Verzweigung weist beispielsweise der Fliederbaum auf, der eine Sonderform der sympodialen Verzweigung darstellt.

Bildquelle: Veer Gallery

Das Verzweigungsphänomen, das nur bei Kräutern der Gattung Poaceae vorkommt, wird Bestockung genannt. Reis und Weizen beispielsweise bilden unter der Erde oder in Bodennähe vergrößerte, nahrhafte Halmknoten (die Teile, an denen die Halme befestigt sind), und an diesen Halmknoten bilden sich Halme mit Adventivwurzeln. Halme, die Ähren und Samen produzieren können, heißen effektive Halme, während Halme, die dazu nicht in der Lage sind, als ineffektive Halme bezeichnet werden.

Reis

(Fotoquelle: bereitgestellt von Qin Huihui)

Wie entstehen Zweige?

Die Bildung von Pflanzenzweigen umfasst zwei wichtige Schritte.

Zunächst bilden sich an der Blattbasis (in der Blattachsel) Meristeme, die Ansammlungen von Stammzellen enthalten, sogenannte Achselmeristeme.

Zur Entstehung des Achselmeristems gibt es zwei unterschiedliche Hypothesen: Ein Modell geht davon aus, dass das Achselmeristem direkt aus den Zellen am obersten Wachstumspunkt der Pflanze entsteht, ähnlich wie ein Soldat, der frühzeitig in der großen Gruppe einen Hinterhalt gelegt hat und nur still auf den richtigen Zeitpunkt wartet, um unabhängig zu werden und einen neuen Wachstumspunkt zu bilden.

Ein anderes Modell geht davon aus, dass Achselmeristeme aus differenzierten Blattzellen entstehen, von Geburt an unabhängig vom apikalen Wachstumspunkt sind und in den Achseln der Blätter wachsen. Sobald diese Achselmeristeme Anweisungen erhalten, werden sie aktiv und teilen sich schneller, wodurch Achselknospen entstehen, die mit bloßem Auge sichtbar sind. Unter geeigneten Bedingungen wachsen die Achselknospen dann weiter und bilden Zweige.

Wenn die äußere Umgebung nicht geeignet ist, stellen die Achselknospen ihr Wachstum ein und werden zu ruhenden Knospen. Daher ist die Aktivität der Achselstammzellen und Achselknospen der Schlüssel zur Bestimmung der Zweigbildung bei Pflanzen.

Achselmeristem (eine kleine Ausstülpung)

Bildquelle: Current Plant Biology (2015) 13–19

Faktoren, die die Gründung und Entwicklung von Zweigstellen beeinflussen

Wird das Wachstum der Äste in keiner Weise eingeschränkt, wirkt sich dies auch negativ auf die Art (also die Form der Pflanze), die Vermehrung und das Überleben der Pflanze aus. Aus diesem Grund haben Pflanzen komplexe Regulierungsmechanismen entwickelt, um die Entwicklung von Verzweigungen zu regulieren. Im Allgemeinen wird die Anzahl der Verzweigungen von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter genetische Faktoren, Hormone und die Wachstumsumgebung.

Den größten Einfluss auf die Verzweigungsmorphologie von Pflanzen haben die Gene. Schließlich gilt: „Man erntet, was man sät.“ Wo es jedoch Vererbung gibt, gibt es auch Variationen. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Domestizierung und Züchtung von Mais. Der nächste Verwandte des Mais ist der mexikanische Teosinte, der mehrere Halme hat. Bei der Domestizierung von Mais neigen wir dazu, Pflanzen mit wenigen oder keinen Halmen auszuwählen.

Studien haben ergeben, dass es im Mais ein Schlüsselgen namens TB1 gibt, das die Bestockung reguliert. Bei diesem Gen handelt es sich um einen zentralen Befehlshaber, der das Wachstum der Seitenorgane steuern und die Entstehung weiblicher Blütenstände fördern kann.

Bei modernem Mais wird eine Sequenz in die regulatorische Region dieses Gens eingefügt, die wie die Einnahme von Stimulanzien wirkt und dessen Aktivität um das Zweifache erhöht, was die Apikaldominanz des Maises stark verstärkt und die Bestockung verringert. Ist es nicht erstaunlich, dass sich aus einer Pflanze mit vielen Trieben durch eine leichte Erhöhung der Aktivität eines einzigen Gens die Pflanze mit wenigen Trieben machen lässt, die wir heute anbauen?

Teosinte und moderner Mais

Bildquelle: Nature Communication (2019) 10: 5608

Pflanzenhormone haben einen wichtigen Einfluss auf die Bildung von Pflanzenzweigen. Pflanzenhormone sind Verbindungen, die in extrem geringen Mengen in Pflanzen produziert werden und viele physiologische Prozesse regulieren können. Unter ihnen hat Auxin einen großen Einfluss auf die Verzweigungsbildung.

Auxin wird zuerst in der apikalen Knospe der Pflanze gebildet, wodurch die apikale Knospe ihren Wachstumsvorteil behält und gleichzeitig das Wachstum seitlicher Knospen gehemmt wird. Defekte bei der Synthese und dem Transport von Auxin beeinträchtigen die Verzweigung der Pflanze. Aus bestehenden Studien geht hervor, dass die Pflanze, sobald das Schlüsselgen für den Auxintransport seine Funktion verliert, eine „Nadelstruktur“ ausbildet und möglicherweise keine Zweige mehr bildet.

(Fotoquelle: bereitgestellt von Guo Zhiai)

Darüber hinaus hat auch das Wachstumsumfeld einen großen Einfluss auf die Filialgründung. Menschen, die gerne Blumen und Pflanzen züchten, wissen, dass bei zu hoher Pflanzdichte, ungeeignetem Wasser und Dünger oder unzureichender Beleuchtung die Pflanzen ein „außergewöhnliches Wachstum“ aufweisen, das sich darin äußert, dass die Pflanzen dünn, hoch und schwach werden und die Anzahl der Zweige deutlich abnimmt. Dies ist für Pflanzen eine wichtige Möglichkeit, sich an die Umwelt anzupassen.

Um zu überleben, muss die Pflanze ihren Hauptstamm so weit wie möglich nach oben wachsen lassen, um mit den umliegenden Pflanzen um mehr Lichtressourcen zu konkurrieren. Dies führt einerseits dazu, dass die Pflanze ihren Stamm schneller verlängert und andererseits früh blüht, um die reproduktive Vermehrung so schnell wie möglich abzuschließen.

Pflanzenzweige kennenlernen und den Alltag meistern

Da wir nun wissen, welche Faktoren die Verzweigung von Pflanzen beeinflussen, können wir dies für die Bepflanzung von Blumen, Pflanzen, Obst und Gemüse sinnvoll nutzen. Je nach Bedarf müssen die verschiedenen Werke die entsprechende Anzahl an Zweigen auswählen, um ihre eigenen Interessen zu maximieren.

Bei den meisten Nutzpflanzen hilft eine gute Verzweigung/Bestockung den Pflanzen, mit Unkraut zu konkurrieren und die Zahl der Fruchtstände zu erhöhen. Zu viele Äste/Bestockungen führen jedoch zu einer schlechten Belüftung, wodurch die Pflanzen leicht erkranken, zu hoch wachsen und die Ernteerträge sinken.

Je nach den Merkmalen der Fruchtbildung und unseren Pflanzzwecken erfordert die Verzweigung verschiedener Kulturen unterschiedliche Managementmethoden . Beispielsweise muss bei gewöhnlichem Mais die oberirdische Struktur durch Reduzierung der Äste/Bestockung verbessert werden, um Eugenik zu erreichen und seinen wirtschaftlichen Nutzen zu steigern.

Wenn jedoch die Produktion von Silomais das Ziel ist, wird die gesamte Pflanze geerntet und für die Viehfütterung verarbeitet, was eine entsprechende Erhöhung der Anzahl der Äste/Holztriebe erfordert, um mehr Biomasse zu erhalten; Jeder Zweig/Holztrieb von Nutzpflanzen wie Sojabohnen, Reis und Weizen ist die Ansatzstelle des Korns und es ist schwierig, den Ertrag einer einzelnen Pflanze durch einen einzelnen Kolben/eine einzelne Hülse zu maximieren, daher ist eine moderate Anzahl von Halmen erforderlich.

Der ideale Reispflanzentyp, vorgeschlagen von Akademiemitglied Li Jiayang

(Bildquelle: State Key Laboratory of Plant Genomics)

Bei Futtergräsern wie Tausendfüßlergras und Medicago truncatula ist es notwendig, die Anzahl der wirksamen Zweige zu erhöhen, um den Samenertrag, den Grasertrag und die Bedeckung brachliegender Flächen zu verbessern. Gemüsesorten wie Tomaten, Auberginen und Paprika müssen regelmäßig beschnitten werden, um zu vermeiden, dass übermäßige Äste die Belüftung beeinträchtigen. Obstbäume müssen regelmäßig beschnitten werden, um schwache und kranke Äste zu entfernen und eine bestimmte Anzahl starker Fruchtäste zu erhalten, was den Ertrag erheblich steigern kann.