Wie eine Pflanze wächst

Diese Ausarbeitung wurde für einen wissenschaftlichen Schülerkongress (MINT) am Schülerforschungszentrum Nordhessen erstellt. Es ging dabei um eine kurz gehaltene Darstellung über das Zusammenspiel von Pflanzenzellen beim Wachstum einer zweiblättrigen Pflanze.

Die Kursteilnehmer sind zwischen 10 und 12 Jahre alt und sollen unter anderem auch für die Mikroskopie begeistert werden.


Die Funktion einer Pflanze wird dabei wie der Produktionsablauf in einer Fabrik beschrieben, in der jede Abteilung eine wichtige Aufgabe hat, was letztendlich zu Wachstum und Blüte führt.




Hier sehen wir, anhand eines selbst gebauten Modells, wie die Zellen in einem Pflanzenstiel angeordnet sind und wie das Innere eines Pflanzenstiels aussehen könnte. Es ist in Wirklichkeit nicht ganz so einfach, erfüllt aber den Zweck eines ersten Eindrucks von der Anordnung der Versorgungsadern ( Bild 3 und 4). In diesen Versorgungsadern sind die Pflanzenzellen in etwa so angeordnet wie im ersten und zweiten Bild dargestellt. Mit Reagenzgläsern, die in ein passendes Glas eingebaut wurden, einer Kaffeedose und vielen bunten Plastikhalmen wurde das Modell realisiert.




Wachstumsablauf am Beispiel einer Pflanze mit zwei Keimblättern


Pflanzen wachsen an den Trieb- und Wurzelspitzen in die Länge. Hier teilen sich fortlaufend Zellen, die sich später strecken und so zusätzlich das Längenwachstum von Wurzel und Spross beschleunigen. Dabei werden Spross und Wurzel auch dicker. An diesem sekundären Dickenwachstum sind verschiedene Strukturen beteiligt:

Die Pflanzenwurzeln beginnen schon wenige Millimeter hinter der Wurzelhaube Zellen auszubilden, die das Längenwachstum der Wurzel immens beschleunigen und die Wurzel nach unten treiben. Darüber befindet sich der Bereich der Wachstumszone, in der auch Zellen gebildet werden, die in die entgegengesetzte Richtung treiben. Der Wachstumszone folgt die Streckungszone. Am Ende der Streckungszone bilden sich neue Zellstrukturen. Diese Zellen entwickeln sich weiter und nehmen dann mehr und mehr, funktionelle Eigenschaften an.

Der erste Spross entsteht und die Pflanze treibt dem Licht entgegen.




Ein Pflanzenschnitt durch den Sproß eines Knöterichs musste zur Erläuterung des folgenden Textes herhalten.



Die hellen Röhren des jungen Xylems nehmen Wasser aus der Wurzel auf und befördern es nach oben. Dabei werden die von der Wurzel aufgenommenen Nährsalze mitgeführt und als Nährstoffe den benachbarten Zellen angeboten. Diese verwenden nur die Stoffe, die sie im momentanen Entwicklungsstand der Pflanze benötigen.

Pflanzen nehmen bei der Atmung keinen Sauerstoff, sondern Kohlenstoffdioxid auf. Wenn Kohlenstoffdioxid durch die Spaltöffnungen in den Blättern aufgenommen wird, kommt es mit dem aufgesaugten Wasser der Pflanze in Berührung. Dabei wird das Kohlenstoffdioxid in Stärke und Zucker umgewandelt. Diese Umwandlung bezeichnet man als Photosynthese.

Nachts ist es umgekehrt:
    
Die dicken Röhren der Tracheen leiten nachts nur kleine Mengen Wasser und Mineralien in die Pflanzenteile, wenn die Pflanze ruht. Dadurch kann aber Kohlenstoffdioxid nicht in Stärke und Zucker umgewandelt werden. Stärke und Zucker, die die Pflanze tagsüber gespeichert hat, werden deshalb nachts verarbeitet. Dabei wird jetzt der Sauerstoff aus der Luft verwendet, der durch die Spaltöffnungen der Blätter aufgenommen wird.

Das Kambium ist die Wachstumsschicht die hauptsächlich das Dickenwachstum der Pflanze vorantreibt. Das wird von dem darüber liegenden Phloem gesteuert.Das Kambium bildet nach außen Bast und nach innen Holz.

Durch das Phloem werden die bei der Fotosynthese gebildeten Nährstoffe zu den Orten transportiert, an denen sie benötigt werden.

Im Verlauf des Dickenwachstums beim Knöterich wird der Sklerenchymring durch die neu gebildeten Xylem- und Phloemzellen gesprengt. Auch die jetzt noch geschlossene Epidermis wird abblättern und dem Phellem (Kork) als abschließender Zellschicht Platz machen.

Schön zu sehen ist eine Siebplatte im Phloem. Siebröhren und Geleitzellen sind hier leider nicht auf den ersten Blick zu unterscheiden.

Im weiteren Verlauf des Wachstums bilden sich dann Blätter und Seitentriebe. Die Zellen der Pflanze sind einem andauernden Wachstum und einem Wandel unterworfen, der aber in seiner Grundstruktur erhalten bleibt.

Das Phloem ist aber auch das „Hauptnervenzentrum“ einer Pflanze. Hier werden nach neuesten Erkenntnissen, Makromoleküle und minimale elektrische Impulse an Pflanzenzellen und Röhren weiter geleitet. Diese Impulse sind es, die die unterschiedlichsten Reaktionen in den Zellen anregen. Man nennt das systemische Kommunikation.






Ein sehr schönes Beispiel dafür findet man bei einer Mimose. Berührt man diese Pflanze, klappt sie schlagartig ihre Blätter ein und zieht sich zusammen. Die Impulse lösen eine Änderung des osmotischen Zellendrucks in den Gelenkzellen der Mimose aus. Die elektrischen Impulse die die Pflanze in den Phloem-Röhren aufbaut, werden durch chemische Reaktionen innerhalb der Zellen erzeugt.



Hier noch einmal separat aufgelistet:


Die wichtigsten anatomischen  Bestandteile einer Pflanze und ihre Funktion


Xylem ist das Holzteil der Pflanze und besteht in erster Linie aus toten Zellen. Im Xylem wird das Wasser und die darin gelösten Mineralien von der Wurzel bis hoch zu den Blättern transportiert. Die Leitgefäße dienen der Pflanze als Rohrsystem.

Trachee bezeichnet man in der Botanik ein Gefäßelement des Xylems, das sich im Leitbündel der Sprossachse höherer Pflanzen befindet. Bedecktsamer (Angiospermen) Samenpflanzen transportieren in den Tracheen Wasser aus den Wurzeln in die Blätter. Tracheen sind wie Tracheiden tote, verholzte Zellen.

Phloem ist das Siebteil der Pflanze. Während das Xylem Wasser und gelöste Mineralien (z. B. anorganische Salze) von den Wurzeln aus aufwärts befördert, dient das Phloem dem Transport von Nährstoffen. Das Phloem besteht im Gegensatz zum Xylem aus lebenden Zellen.

Siebzellen Die Siebzellen sind lebende Zellen innerhalb des Phloem. Die Siebzellen bilden Röhren. Siebröhren sind unvollständig ausgebildete Zellen, die zwar leben, aber wichtige Bestandteile einer lebenden Zelle nicht besitzen, wie etwa einen Zellkern oder eine Vakuole.

Leitbündel Die Leitbündel sind für den Ferntransport von Wasser und Nährstoffen zuständig und reichen von der Wurzel über die Sprossachse bis hin zu den Blättern. Die Leitbündel sind meist von den Sklerenchymzellen umgeben.
Sklerenchymzellen sind dickwandige Zellen, die der Stabilität der Pflanze dienen. Sie durchziehen den Stiel spindelförmig und machen ihn stabil und biegsam.

Sklerenchymzellen sind dickwandige Zellen, die der Stabilität der Pflanze dienen. Sie durchziehen den Stiel spindelförmig und machen ihn stabil und biegsam.

Kambium (lat. cambium = Wechsel), oder auch Kambiumring, nennt man vor allem bei Bäumen die hohle, zylinderförmige Wachstumsschicht zwischen der Splintholzzone und der Rinde (Bastzone und Borke). Diese Schicht ist für das sekundäre Sprosswachstum (Dickenwachstum) verantwortlich.
Nach der Definition wird alles Gewebe, das vom Kambium nach innen abgeschieden wird, Holz genannt und alles Gewebe, was nach außen abgeschieden wird Bast genannt. Im Bast kann es zur Ausbildung eines zusätzlichen Kambiums kommen. Dieser wechselnden Wachstumseigenschaft verdankt das Cambium seinen Namen.

Spaltöffnungen  lat. Stoma sind die Atemöffnungen der Pflanze. Die Stomata (Mehrzahl) findet man in der Regel an der Unterseite der Blätter einer Pflanze. Bei Seerosen und anderen Schwimmblatt-Pflanzen sind die Stomata an der Oberseite der Blätter. Sie sind aber nur mit einem Mikroskop oder mit einer starken Lupe zu sehen. Die Stomata regeln den Gasaustausch zwischen Pflanze und Umgebungsluft. Durch die Stomata nimmt die Pflanze CO2 und Wasser aus der Luft auf und gibt Sauerstoff an die Umgebungsluft ab.






Kommunikation und Wahrnehmung bei Pflanzen            

Bereits im Jahr 2003 untersuchte der Zellbiologe  Dr.Frantisek Baluska elektrische Ströme und das Kommunikationsverhalten der Pflanzen. Er stellte anhand einer wilden Tabakpflanze fest, dass diese bei Befall durch die Tabakschwärmer Larve einen starken Duft absondert. Dieser Duft lockt eine Wanzenart an, zu deren Hauptnahrungsquelle diese Larve gehört.

Ende 2018 stellten Forscher der Universität in Tel Aviv ein Projekt vor, das weltweit große Beachtung fand. Das Team machte einen Langzeitversuch bei dem entdeckt wurde,  dass Pflanzen auch Töne von sich geben können, wenn sie in Gefahr sind.
Im Gegensatz zu den Versuchen von Frantisek Beluska, der die Kommunikation der Pflanzen untereinander durch Duftstoffe untersuchte, machte das Team um den Biologen Dr. Itzhak Khait, Ultra-Schall Messungen in der unmittelbaren Umgebung der Pflanzen.
Dazu wurden, in einer akustisch isolierten Kammer im Abstand von zehn Zentimetern, hochempfindliche Mikrofone aufgestellt. Die Mikrofone konnten Frequenzen von 20 bis 200 Kilohertz aufnehmen. Der Mensch hört als Kind  mit einem guten Gehör ca. 20 Hertz bis 18 Kilohertz .



Schematischer Versuchsaufbau und Messkurven des Forschungsprojekts.
Quelle: Khait et al. 2019, bioRxiv.org


Die aufgezeichneten Frequenzkurven zeigten, dass es nicht nur unterschiedlich zeitliche Abstände der Schall-Impulse gab, sondern dass sich die Kurven auch in ihrer Form veränderten. Das lässt darauf schließen, dass die getesteten Pflanzen auch ihre Gemütszustände an ihre Umgebung durch akustische Signale vermitteln können.
Es wurden Tomaten, Kakteen, Taubnesseln und Tabakpflanzen untersucht, die auf Trockenheit und Schädlingsbefall unterschiedlich reagierten.
Man wusste aus früheren Versuchen, dass Pflanzen bei Gefahr chemische Substanzen und Duftstoffe produzieren um Schädlinge fernzuhalten oder zu vertreiben. Dass sie aber auch akustische Signale an ihre unmittelbare Umgebung senden, war bisher nicht bekannt.

Bei Tomatenpflanzen, die unter Trockenheit zu leiden hatten, hat man 35 Ultraschall Signale in einer Stunde gemessen. Wurde die Pflanze am Stiel beschädigt, gab sie nur 25 Impulse in der Stunde ab. Bei Tabakpflanzen lag das Verhältnis anders herum. Bei Trockenheit gab die Tabakpflanze 11 Ultraschall Impulse ab und bei Beschädigung 15 Impulse.

Die Medien bezeichneten, nach Veröffentlichung der Arbeit, diese Impulse als Schreie. Mit diesem Begriff sollte man aber sorgfältiger umgehen. Es könnte auch sein, dass es sich hier um eine Kommunikation mit Insekten oder anderen Pflanzen handelt. Zumal die gemessenen Kurven unterschiedliche Amplitudenformen aufzeigten.

Es wäre interessant herauszubekommen ob und in welchem Zusammenhang die akustischen Signale mit der Abgabe von Duftabwehr- oder Lockstoffen stehen.

Es ist nicht auszuschließen, dass sich hier eine Welt öffnet, die wir bisher nur erahnen konnten. Der Begriff des "grünen Daumens" und dem "Reden mit den Pflanzen" bekommt hier eine völlig neue Bedeutung.