Forscher „durchleuchten“ Wurzeln im Boden

 Der Effekt ist gerade während der Urlaubszeit hinlänglich bekannt: Während man selbst durch Abwesenheit glänzt, vergessen die Kollegen im Büro die Blumen zu gießen und zu düngen – häufig bleibt dann nur noch ein bräunliches Gerippe übrig. Ob eine Pflanze gedeiht oder kümmert, hängt vor allem davon ab, ob ihre Wurzeln genügend Wasser und Nährstoffe aufnehmen können. Solche Prozesse haben Geophysiker der Universität Bonn nun erstmals direkt mit Hilfe der elektrischen Impedanz-Tomografie visualisiert. Die Forscher veröffentlichen ihre Ergebnisse nun im Fachjournal „Biogeosciences“.

Den lebenswichtigen Cocktail aus Wasser und Mineralstoffen flößen sich Pflanzen mit ihren Wurzeln ein. Dieses gewundene Organ gibt nicht nur Halt im Boden – die feinen Haarwurzeln wachsen sogar aktiv in Bodenzonen hinein, wo der Quell an Nährstoffen besonders reich sprudelt. Pflanzen entnehmen die Mineralstoffe entweder direkt aus der Bodenlösung oder holen sie sich von Tonmineralen oder Huminstoffen. Letztlich hängt auch von diesen mikroskopisch kleinen Vorgängen an den Haarwurzeln der Pflanzen ab, ob die Weltbevölkerung hungern muss oder genug zu essen hat. Dieser Zusammenhang erklärt das große wissenschaftliche Interesse an diesen Prozessen im Boden.

Die Mineralstoffe im Boden liegen meist in Form elektrisch geladener Ionen vor. „Die Ionen haben Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften der Wurzeln, was es uns ermöglicht, Wurzeln bei der Nährstoffaufnahme auf eine neuartige Art und Weise sichtbar zu machen“, sagt Prof. Dr. Andreas Kemna, Geophysiker an der Universität Bonn. Sein Team hat nun eine neue Methode entwickelt: Die Wissenschaftler „durchleuchten“ die Wurzelsysteme von Pflanzen mit Hilfe der elektrischen Impedanz-Tomografie, die auch als bildgebendes Verfahren in der Medizin angewendet wird.

„Doch anders als Ärzte messen wir nicht nur die elektrische Leitfähigkeit, sondern zusätzlich die durch die Nährstoffaufnahme an der Pflanzenwurzel beeinflusste elektrische Polarisierbarkeit“, erläutert Prof. Kemna. Während die Leitfähigkeit das Vermögen eines Mediums beschreibt, elektrische Ladungen zu transportieren, versteht man unter Polarisierbarkeit die Fähigkeit, lokal positive und negative Ladungen durch ein elektrisches Feld auszurichten – ähnlich wie sich Kompassnadeln in einem Magnetfeld einstellen.

Rückschlüsse auf die Nährstoffaufnahme des Wurzelsystems

Die Forscher experimentieren mit den Wurzeln lebender Nutzpflanzen, die in einer durchsichtigen, mit Nährlösung gefüllten Plexiglasbox eingebettet sind. An dieses sogenannte Rhizotron legen die Forscher ein elektrisches Wechselfeld an. Die hierdurch hervorgerufenen elektrischen Polarisationsprozesse variieren mit der Ionenaufnahme der Wurzeln. Zahlreiche Messsensoren am Rhizotron zeichnen die Polarisationssignale auf, die mit Hilfe von speziellen numerischen Algorithmen in tomographische Bilder umgewandelt werden.

Indem die Forscher die elektrische Impedanz-Tomografie bei unterschiedlichen Messfrequenzen durchführen, erhalten sie frequenzabhängige Tomogramme, die sich dann am Computerbildschirm in wolkenähnlichen Gebilden farbig darstellen. Die einzelnen Feinwurzeln sind dabei nicht zu erkennen. „Die Auflösung reicht jedoch aus, um Rückschlüsse auf die Nährstoffdynamik des Wurzelsystems einer Pflanze zu ziehen“, sagt der Doktorand Maximilian Weigand aus Prof. Kemnas Team.

Ist die Pflanze besonders aktiv, etwa durch ein reiches Angebot an Nährstoffen, Wasser und Licht, so zeigen sich entsprechend starke Änderungen der Polarisationssignale an den Wurzeln – zum Beispiel tagsüber im Vergleich zu nachts. Tritt jedoch eine Stresssituation ein, wie etwa Dürre oder Nährstoffarmut, so verschwindet mit dem Ausbleiben der Nährstoffaufnahme auch die Polarisierbarkeit zusehends. Dies lässt sich dann durch die Tomographie sichtbar machen und beobachten.

„Wir haben mit dieser Studie die prinzipielle Machbarkeit der Methode unter Beweis gestellt“, sagt Prof. Kemna. In den nächsten Schritten geht es nun darum, anhand von theoretischen Modellen die elektrischen Polarisationsprozesse bei solchen Messungen nachzuvollziehen. Außerdem wollen die Wissenschaftler ihr System auch draußen im Freiland testen, wo es bisher keine geeigneten, zerstörungsfreien Messverfahren zur Erfassung der Aktivität von Wurzelsystemen gibt. Zusammen mit dem Forschungszentrum Jülich läuft hierzu im Rahmen des Transregionalen Sonderforschungsbereichs „Patterns in Soil-Vegetation-Atmosphere Systems – Monitoring, Modelling and Data Assimilation“ am Versuchsstandort Selhausen ein Versuch mit Winterweizen.

„Wird die Nährstoffaufnahme optimiert, kann absehbar besser auf Dürrerisiken durch den Klimawandel reagiert und möglicherweise der Ertrag von Kulturpflanzen weiter gesteigert werden“, nennt Prof. Kemna ein Beispiel. Die neue Methode könne hierbei wertvolle Dienste leisten, um zu einem besseren grundlegenden Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Wurzeln und Boden zu kommen.