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Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften

Bodenphysik - Prof. Dr. Andrea Carminati

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Forschungsschwerpunkte

Motivation

Über die nächsten Jahrzehnte wird ein starker Anstieg in der Nachfrage nach Lebensmitteln erwartet, um den Bedarf durch die Bevölkerungsexplosion der Weltpopulation zu decken. Die begrenzten natürlichen Ressourcen an Wasser und bewirtschaftbaren Landflächen, deren ungleiche geographische Verteilung, und die steigende Konkurrenz um Flächen durch alternative Formen der Landnutzung, schränken den Freiraum agrarwirtschaftlicher Expansion ein.

Eine vielversprechende Strategie um die Erträge von Kulturpflanzen weiter zu steigern, ohne gleichzeitig den Stress auf die Ressourcen Wasser und Boden zu verstärken, ist die Förderung der vorhandenen Fähigkeiten der Pflanzen und ihrer zugehörigen Mikroorganismen um die Gesamtproduktivität des Ökosystems Boden zu erhöhen. Hervorstechend unter den ökologischen Fähigkeiten sind die Interaktionen zwischen Pflanzenwurzeln und ihren assoziierten Mikroorganismen, welche bei den immensen Wasserflüssen (Transpiration) einen Anteil von etwa 50 Prozent der terrestrischen Niederschläge (ca. 50.000 km³ pro Jahr) einnehmen.

Diese großen Stoffflüsse müssen eine dünne Grenzschicht rund um die Wurzeln passieren, besser bekannt als Rhizosphäre, was sie zu einem zentralen bodenhydrologischen Hotspot macht. Gleichzeitig dient der Bereich aus Boden und Biopolymeren als Habitat für den größten Pool an Bodenmikroorganismen welche in Symbiose mit den Pflanzenwurzeln existieren und einen starken Einfluss auf geochemische Stofflüsse an der Grenzfläche zwischen Boden und Atmosphäre nehmen.

 

Hypothesen

Eine der Schlüsselhypothesen unserer Forschung ist, dass Pflanzen in der Lage sind die Eigenschaften des Bodens zu verändern, insbesondere den Boden in direkter Umgebung der Wurzeln so zu beeinflussen, dass sowohl die Wasserverfügbarkeit, wie auch die Nährstoffverfügbarkeit für die Pflanze erhöht wird. Solche Veränderungen der Verfügbarkeiten gehen einher mit dem Ausbilden von Wurzelhärchen und Exsudation von organischen Verbindungen, wie Mucilage (dt. Mucigel) und extrazellulären Polysaccharide (EPS), welche die Eigenschaften rund um das Wasser, wie Retention und Diffusion, verändern können. Unsere Forschungsarbeit widmet sich der Grundlagen für die Quantifizierung und Vorhersage bodenphysikalischer Prozesse, welche die Bodenökologie und die Funktionen der Rhizosphäre beschreiben und damit weitere biologische Grenzflächen mit bestimmen.

Durch die Absonderung von Mucigel könen Pflanzenwurzeln Einfluss auf Eigenschaften der Rhizosphäre nehmen und sich somit die Aufnahme von Wasser und Nährstoffen aus dem Boden auswirken. Während einer Trockenphase erhöht Mucilage den Wassergehalt in der Rhizosphäre, vermutlich erleichtert es den Wasserfluss durch die Grenzfläche von Boden und Wurzel (Abb. 1).

Andererseits weist Mucigel bei Austrocknung hydrophobische Eigenschaften und reduziert die Wiederbenetzung der Rhizosphäre nach Bewässerung. Obwohl die Hydrophopizität kontraproduktiv erscheint (Pflanzen haben geringeren Zugang zu Wasser, gerade wenn sie Wasser in der Dürre benötigen), könnte die Veränderung hin zur Hydrophobizität eine effiziente Strategie sein um die Wurzeln von den trockenen Bodenregionen zu trennen und weitere Wasserverluste zu vermeiden.

 Wurzelexsudate

Abbildung 1: a Foto von Mucigel an der Wurzelspitze eines Maissetzlings. b Mucigel an der Wurzelspitze einer Stützwurzel einer zwei Monate alten Maispflanze. c Neutronenradiographie von Lupinenwurzeln gewachsen in einem sandigen Boden. Das Bild zeigt die unteren 10 cm des Wurzelsystems ein paar Stunden nach Bewässerung. Die Grauwerte des Bildes sind proportional zum Wassergehalt (dunkler bedeutet feuchter). Feuchte Regionen umgeben die Wurzelspitzen und indizieren die Anwesenheit hydratisierter Mucilage. d Schematische Abbildung der Modellvorstellung. Durch die Exsudation von Kohlenstoffverbindungen in Form von Mucigel halten die Wurzelen die umgebende Rhizosphäre feucht und leitfähig und erniedrigen damit den Gradienten des Wasserpotentials zur Wurzel hin. Dadurch erhält Mucigel die hohen Transpirationsraten und die Aufnahme von Kohlenstoff zur Photosynthese (Carminati et al., 2015).

 

Neue methodische Ansätze

Um die Wasserflüsse in Boden und Wurzeln bestimmen zu können, testen wir neue Ansätze und entwickeln neue Methoden. Von besonderer Bedeutung war die Entwicklung einer Methode zur Bestimmung der Wurzel-Wasser-Aufnahme durch die Nachverfolgung des Tracers D2O in Boden und Pflanze durch Neutronenradiographie (Abb. 2 a,b) und die Rekonstruktion der konvektiven Flüsse durch numerische Verfahren über die Inverse Lösung (Zarebanadkouki et al., 2012; 2013; 2014; Ahmed et al., 2015). Mit dieser Methode lassen sich die hydraulischen Eigenschaften unterschiedlicher Pflanzensorten und ihrer zugehörigen Rhizospäre charakterisieren um die Pflanzen auf ihre Fähigkeiten zur Wasseraufnahme und Dürretoleranz zu testen.

Eine weitere bildgebende Methode ist die Röntgen-CT, mit der sich Wurzelarchitektur, die Struktur des Bodens, (bei hoher Auflösung) auch Wurzelhärchen (Abb. 2b) , und die räumliche Anordnung des 3-Phasen-Systems (Gas, Flüssigkeits-, Festphase) Boden abbilden lassen (mit freundlicher Genehmigung von Dr. Stefan Gerth, Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS). Zur Charakterisierung der Boden-Wasser-Beziehungen verwenden wir die von John Passioura entwickelte Wurzel-Druckkammer-Methode. Die Methode erlaubt es, die Spannung im Xylem der Pflanzen, die Stressoren (Trockenstress durch autrocknenden Boden und veränderlichen Evaporationsmethoden) ausgesetzt sind, zu beobachten. Diese einzigartige Methode liefert uns Erkenntnisse über die biophysikalischen Beschränkungen des Wasserflusses in Boden und Pflanzen.

Methodik-Mucilage 

Abbildung 2: a,b  Wurzelwasseraufnahme veranschaulicht mit Hilfe der Neutronenradiographie durch den Tracerversuch mit schwerem Wasser(D2O) in Boden und Pflanze. c Mikroskopischer Dünnschliff eines Boden-Wasser-Gas-Wurzel Phasensystems. d Foto der Wurzel-Druckkammer-Methode.

 

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