Manche Pflanzen wollen den Nordwestwind sogar mit ihren Wurzeln trinken! Was ist das Geheimnis der Luftwurzeln, die „Wasser aus der Luft trinken“?

Manche Pflanzen wollen den Nordwestwind sogar mit ihren Wurzeln trinken?

Bevor wir beginnen, genießen wir die wunderbare Schönheit der Natur:

Jinping-Rebe (Bildnachweis: Zhang Lijun)

Luftpflanzen (Bildnachweis: Zhang Lijun)

Banyanbaum (Fotoquelle: Veer-Fotogalerie)

Wenn Sie in die wunderschöne Szene von „A Curtain of Dreams“ der Brocade Wings eintauchen, wenn Sie von den skurrilen Luftpflanzen angezogen werden, wenn Sie die kraftvolle Fähigkeit des Banyanbaums bestaunen, einen Wald zu bilden, haben Sie entdeckt, dass sie alle ein gemeinsames Merkmal haben: Ihre langen Wurzeln sind der Luft ausgesetzt.

Wie sind diese wunderschönen und kraftvollen Naturwunder entstanden? Was sind ihre Funktionen? Heute werde ich mit Ihnen über den großen Kerl hinter diesen Naturphänomenen sprechen: Luftwurzeln.

Teil 1

Es sind alles Wurzeln, aber warum liegen manche über der Erde und manche unter der Erde?

Luftwurzeln sind Organe mit besonderen Funktionen, die von Pflanzen während ihres langen Überlebensprozesses gebildet werden, um sich an die feucht-heiße Umgebung anzupassen. Es handelt sich um eine modifizierte Wurzel, die aus dem Stamm oder Zweig der Pflanze über der Erde wächst und der Luft ausgesetzt ist. Luftwurzeln kommen bei einigen Pflanzen der Familien Orchidaceae, Moraceae, Araceae, Liliaceae und Amaryllis häufig vor. Die schönen roten Wurzeln der eingangs erwähnten Jinping-Rebe sind eine Art Luftwurzeln.

Wie wir alle wissen, wachsen die Wurzeln von Pflanzen im Allgemeinen unter der Erde und werden als „Bodenwurzeln“ bezeichnet. Ihre Aufgabe ist die Fixierung, Aufnahme, der Transport und die Speicherung von Nährstoffen. Aus Umweltgründen entwickeln die Wurzeln mancher Pflanzen jedoch besondere Funktionen und ihre morphologische Struktur verändert sich. Dieses Phänomen wird Wurzelmetamorphose genannt. „Luftwurzeln“ sind eine Art abnormaler Wurzeln, die in der Luft wachsen.

Die Erdwurzeln und Luftwurzeln von Pflanzen können sich unter bestimmten Bedingungen ineinander verwandeln. Wenn beispielsweise die Luftwurzeln eines Banyanbaums in den Boden eindringen, werden sie genau wie seine Landwurzeln und können Wasser aus dem Untergrund aufnehmen und den oberirdischen Teil des Banyanbaums stützen. Und seine Erdwurzeln sind lange Zeit der Luft ausgesetzt und ihre Eigenschaften sind genau die gleichen wie die der Luftwurzeln.

Die Landwurzeln und Luftwurzeln von Pflanzen weisen eine ähnliche innere Struktur auf. Bei der Elektronenmikroskopie der Luftwurzeln von Dendrobium ist jedoch zu erkennen, dass sich an der Spitze der Luftwurzeln keine Wurzelhaare befinden, sondern diese stattdessen mehrere periklinale Teilungen durchlaufen und so eine Wurzelscheide bilden. Das Wurzelintegument ist ein schwammartiges Gewebe, das aus mehreren Schichten abgestorbener Zellen besteht. Die Zellen sind polygonal und eng angeordnet. Die Zellwände sind teilweise verkorkt und zu band- oder netzartigen Mustern mit winzigen Poren verdickt, die geeignet sind, Wasser aufzunehmen und ins Zellinnere zu transportieren.

Die Orchideen-Mykorrhizawurzeln der Luftwurzeln von Dendrobium wurden mit einem Zellelektronenmikroskop gescannt

(Bildquelle: Referenz 2)

Das Aussehen der Luftwurzeln verändert sich von der Geburt bis zum Alter ständig. Am Beispiel des Kleinblättrigen Banyanbaums wachsen Luftwurzeln bei Regen oder feuchtem Wetter. Die weißen oder hellgelben Teile 0–4 cm von der Spitze entfernt sind die neuen Teile, allgemein als zarte Wurzeln bekannt. Sonneneinstrahlung, trockene Luft und Selbstalterung führen dazu, dass die Luftwurzeln langsam reifen und eine gelbe Farbe annehmen, was als reifer Zustand bezeichnet wird. Danach altern sie weiter und wenn sich die Oberfläche der Luftwurzeln in eine braune, rindenartige Holzschicht verwandelt, spricht man vom gealterten Zustand. Die beiden letztgenannten Formen werden als Altwurzeln bezeichnet. Der alte Wurzelteil weist eine dickere Außenhaut, ein raueres Aussehen und Mikroporen an der Oberfläche auf. Beispielsweise hat die Brokat-Paravent-Ranke im Bild unten zarte rote Wurzeln und alte grüne Wurzeln.

Alte und neue Wurzeln der Jinping-Rebe

(Bildnachweis: Foto von Zhang Lijun)

Teil 2

Das Geheimnis der Luftwurzeln "Trinkwasser in der Luft"

Wissenschaftler sind durch Experimente zu dem Schluss gekommen, dass Luftwurzeln in verschiedenen Zuständen Wasser auf unterschiedliche Weise aufnehmen.

Für die alten Wurzeln von Luftwurzeln gibt es zwei Möglichkeiten, Wasser aufzunehmen: Zum einen durch Adsorption, bei der Wasserdampf in der feuchten Luft in flüssiges Wasser umgewandelt und zu den Wurzeln transportiert wird, was als Wurzeladsorption bezeichnet wird. Die andere besteht darin, Feuchtigkeit, die an Staubpartikeln in der Luft kondensiert, direkt durch Mikroporen aufzunehmen oder Feuchtigkeit, die an Regentagen auf die Wurzeloberfläche fällt, zu speichern, aufzunehmen und zu den Wurzeln zu transportieren. Dies wird als Wurzelabsorption bezeichnet.

Auch die zarten Wurzeln der Luftwurzeln nehmen Wasser auf zwei Arten auf: Nachdem die Luftwurzeln einen Tag lang in fließender, gesättigter Luft gewachsen sind, wachsen auf der Oberfläche dichte weiße Härchen. Die Haare wirken als Kondensationskerne, wodurch der Wasserdampf aus der Luft an ihrer Oberfläche kondensiert und dann in die Wurzeln transportiert wird. Dies ist das gleiche Prinzip wie bei der Wasseraufnahme von Landwurzeln, die hauptsächlich über Wurzelhaare Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen.

Eine andere Situation besteht darin, dass, wenn Luftwurzeln in nahezu gesättigter Luft wachsen und keine weißen Haare auf der Oberfläche wachsen, die Kondensation von Wasser auf der Oberfläche der Luftwurzeln hauptsächlich durch einen Phasenwechsel der Infiltration erreicht wird. Unter Benetzungsphasenübergang versteht man üblicherweise die Umwandlung einer Flüssigkeit auf einer festen Oberfläche von einem teilweise benetzenden in einen vollständig benetzenden Zustand. Wenn der Übergang zur Infiltrationsphase stattfindet, ist die Luft um die Luftwurzeln herum nahezu gesättigt, und auf der Oberfläche der Luftwurzeln kann sich eine Luft-Wasser-Grenzfläche bilden, und die Oberflächentemperatur der Luftwurzeln ist etwas niedriger als die Umgebungstemperatur. Daher kondensiert der Wasserdampf in der Luft an der Oberfläche der Luftwurzeln und wird dann in den Pflanzenkörper transportiert. Dies wird als Kondensationsmechanismus der Wurzeldecke bezeichnet.

Teil 3

Das Wachstum der Luftwurzeln wird von diesen drei Faktoren beeinflusst

1. Umweltauswirkungen

Die Entstehung von Luftwurzeln hängt eng mit der Wachstumsumgebung zusammen. Bei hohen Umgebungstemperaturen und starker Transpiration der Pflanze reicht es nicht aus, sich ausschließlich auf die Bodenwurzeln zu verlassen, um den Eigenbedarf der Pflanze zu decken. Über die Stängel und Blätter oder die Luftwurzeln des oberirdischen Teils kann die Pflanze dann Wasser aufnehmen. Um sich beispielsweise an die starken Niederschläge, die hohen Temperaturen und die hohe Luftfeuchtigkeit im Süden anzupassen, wachsen am Stamm des Banyanbaums viele seilartige Luftwurzeln, die ihm beim Atmen helfen. Da diese Pflanzenart eine warme und feuchte Umgebung bevorzugt, ist sie hauptsächlich in tropischen und subtropischen Regionen verbreitet, wobei die meisten Arten in tropischen Regenwäldern vorkommen. In unserem Land ist es hauptsächlich im Gebiet südlich des Jangtsekiang verbreitet.

Luftwurzeln des Banyanbaums

(Bildnachweis: Foto von Zhang Lijun)

Oder wenn den unterirdischen Wurzeln Nährstoffe fehlen oder ihre Atmung nicht optimal ist, müssen Pflanzen auch Luftwurzeln verwenden, um Feuchtigkeit aus der Luft aufzunehmen. Beispielsweise wachsen während der Pflanzzeit der Drachenfruchtstecklinge Luftwurzeln aus den Zweigen, die vorübergehend zum Atmen und Aufnehmen von Wasser dienen.

Luftwurzeln der Drachenfrucht

(Bildquelle: China Plant Image Library)

2. Hormoneinfluss

Pflanzenhormone spielen eine komplexe und wichtige Rolle bei der Bildung von Luftwurzeln. Sie können die Entwicklung von Luftwurzeln direkt regulieren, indem sie die Zellteilung und das Wachstum beeinflussen, und können die Entwicklung von Luftwurzeln auch indirekt regulieren, indem sie mit anderen Molekülen interagieren. Studien haben ergeben, dass eine Erhöhung der Konzentration von exogenem oder endogenem Auxin dazu führen kann, dass Pflanzen mehr Luftwurzeln bilden. Beispielsweise fördert Ethephon die Bildung von Luftwurzeln. Mit zunehmender Ethephon-Konzentration nehmen auch die Anzahl der Schichten, die Anzahl der Wurzeln und das Gesamtgewicht der Luftwurzeln zu, die Wurzeln werden jedoch allmählich dünner.

3. Genetischer Einfluss

Die Bildung von Luftwurzeln wird neben äußeren Faktoren auch durch Gene gesteuert. Durch die Untersuchung des Entwicklungsprozesses der Luftwurzeln von Mais haben Wissenschaftler herausgefunden, dass Auxin-verwandte Gene einen wichtigen Anteil daran haben. Beispielsweise handelt es sich bei dem ersten entdeckten Mutanten, rt1, um ein Schlüsselgen, das die Entwicklung von Luftwurzeln beeinflusst. Bei Pflanzen mit dieser Mutante ändert sich die Anzahl der unterirdischen Wurzeln im Wesentlichen nicht, während sämtliche Luftwurzeln fehlen. Darüber hinaus haben histologische Studien ergeben, dass Mutationen im RTCS-Gen auch die Entwicklung der Luftwurzeln beeinflussen, was dazu führt, dass bei den Mutanten nur Hauptwurzeln und Seitenwurzeln erhalten bleiben. Das homologe Gen RTCL (RTCS-LIKE) von RTCS ist ebenfalls ein Auxin-responsives Gen.

Teil 4

Es gibt viele Arten von Luftwurzeln mit unterschiedlichen Funktionen. Welche hast du gesehen?

Entsprechend der unterschiedlichen Formen und Funktionen der Luftwurzeln können diese in folgende Kategorien eingeteilt werden:

1. Wurzeln unterstützen

Einige krautige Pflanzen mit flachen Wurzeln, die aber hoch wachsen, wie etwa Mais und Sorghum, können nach der Verzweigung und vor der Ährenbildung geotropisch wachsen, wobei mehrere Schichten von Adventivwurzeln um die Knoten in Bodennähe herum entstehen. Nach dem Eindringen in den Boden bilden sich im Boden Seitenwurzeln aus, die die besondere Funktion haben, der Pflanze Halt zu geben. Diese Wurzeln werden Stützwurzeln genannt. Wenn die Stützwurzeln schlecht entwickelt sind, neigt die Pflanze dazu, bei starkem Wind umzuknicken. Darüber hinaus erfüllen die Stützwurzeln auch Funktionen wie Aufnahme und Transport.

Maisstützwurzeln

(Bildquelle: Botanik)

2. Kletterwurzeln

Einige Kletterpflanzen wie Kletterpflanzen, Trachelospermum, Feigen, Efeu usw. bilden auf einer Seite des Stängels viele Kletterwurzeln mit flachen Spitzen, die leicht auf der Oberfläche von Gegenständen hochklettern können.

Luftwurzeln von Ficus pumila

(Bildnachweis: Foto von Zhang Lijun)

3. Atmende Wurzeln

Einige Pflanzen, die in Küsten- oder Sumpfgebieten wachsen, wie etwa Mangroven und Wasseragamen, können Atemwurzeln bilden, die nach oben wachsen und aus dem Boden herausragen. Auf seiner Oberfläche befinden sich Atemlöcher und im Inneren ein gut entwickeltes Belüftungsgewebe, das der Belüftung und Luftspeicherung förderlich ist. Wenn die Teichzypresse beispielsweise in Böden mit hoher Luftfeuchtigkeit wächst, wachsen Luftwurzeln aus dem Boden, die ihr beim Atmen helfen.

Luftwurzeln der Teichzypresse

(Bildnachweis: Foto von Zhang Lijun)

4. Brettwurzeln

Brettwurzeln treten unter bestimmten Bedingungen auf, wenn die Pfahlwurzel schlecht entwickelt ist und die Seitenwurzeln nach oben wachsen und an der Verbindungsstelle mit der Stammbasis einen gut entwickelten, holzigen, plattenartigen Grat bilden. Brettwurzeln kommen bei tropischen Baumarten häufig vor, und Pflanzenarten wie Fabaceae, Elaeocarpaceae, Rubiaceae und Celastraceae sind allesamt häufige Brettwurzelpflanzen. Einige Brettwurzeln können mehrere Meter hoch werden und bieten der riesigen Baumkrone zusätzlichen Halt.

Elaeocarpus styracifolius

(Fotoquelle: Offizielle Website des Botanischen Gartens Xishuangbanna, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

5. Epiphytische Wurzeln

Viele Epiphyten, also Pflanzenarten, die nicht auf dem Boden, sondern auf Ästen oder Stämmen von Bäumen wachsen, bilden auch Luftwurzeln. Ihre Wurzeln besitzen ein dickes Rhizom, das dazu geeignet ist, Feuchtigkeit aus der Luft aufzunehmen und zu speichern, ähnlich wie epiphytische Orchideen in tropischen Regenwäldern.

Luftwurzeln von Orchideen

(Bildnachweis: Foto von Zhang Lijun)

Teil 5

Neben der „Selbstverwendung“ können Luftwurzeln auch für „andere“ verwendet werden

Biologische Stickstofffixierung durch Luftwurzeln von Mais

Im Jahr 2018 entdeckten Wissenschaftler, dass eine lokale Maissorte, die in der Region Sierra Mixe in Mexiko angebaut wird, über eine große Anzahl von Luftwurzeln verfügt, die große Mengen Schleim absondern. Der Schleim ist sauerstoffarm und zuckerreich und mit einer großen Anzahl stickstoffbindender Bakterien angereichert, die eine starke stickstoffbindende Aktivität aufweisen.

Der mit verschiedenen Methoden berechnete Beitrag dieser Sorte zum Stickstoffgehalt im Prozess der atmosphärischen Stickstofffixierung beträgt 29–82 %. Der biologische Stickstofffixierungsmechanismus dieses Maises und der genetische Mechanismus, der diesen Prozess in Pflanzen steuert, sind weitere Studien wert, um wichtige theoretische Leitlinien für die Reduzierung des Einsatzes chemischer Düngemittel und die Entwicklung einer grünen Landwirtschaft zu liefern.

Der wässrige Extrakt der Luftwurzeln von Ficus microcarpa kann als natürliches Kulturmedium verwendet werden

Die Luftwurzeln von Ficus microcarpa enthalten endogene Hormone und Hormonvorläufer, und ihr Wasserextrakt kann als natürlicher Bestandteil des Kulturmediums die Proliferationsrate von Orchideen-Protokormen induzieren oder erhöhen. Studien haben gezeigt, dass die Methode, den Wasserextrakt aus den Luftwurzeln von Ficus microcarpa zum vorübergehenden Ersatz von Hormonen zu verwenden, einen erheblichen Beitrag zur Wurzelbildung von Cymbidium-Orchideen leistet. Dies eröffnet einen neuen Weg für die Gewebekultur von Cymbidium-Orchideen und ist gleichzeitig praktisch für Forscher und gewerbliche Produzenten.

Kurz gesagt: Luftwurzeln von Pflanzen ermöglichen nicht nur das Überleben der Pflanzen selbst, sondern sind auch ein wichtiges Forschungsthema in der Entwicklungsbiologie von Pflanzen. Die physiologischen und biochemischen Mechanismen seiner Entstehung und die Erforschung seiner Funktionen haben allmählich die Aufmerksamkeit der Menschen auf sich gezogen und bieten breite Forschungs- und Anwendungsaussichten.

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Zhang Lijun

Autoreinheit: Botanischer Garten Wuhan, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

(Die in diesem Artikel angegebenen Bilder mit Quellenangabe wurden autorisiert)

Der Artikel gibt nur die Ansichten des Autors wieder und repräsentiert nicht die Position der China Science Expo

Dieser Artikel wurde zuerst in der China Science Expo (kepubolan) veröffentlicht.

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