MUCILAGE: die hydraulische Brücke zwischen Wurzel und Boden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die physikalischen Eigenschaften des Bodens werden aktiv und dynamisch durch Pflanzenwurzel und assoziierte Mikroorganismen modifiziert. In diesem Bereich des Bodens, der Rhizosphäre sticht eine dieser Modifikationen heraus. Die Sekretion von Mucilage durch Pflanzenwurzeln. Mucilage ist ein Gemisch von Molekülen, reich an Polymeren und verändert die physikalischen Eigenschaften der Bodenlösung mit vielfältigen Folgen für die Widerstandsfähigkeit von Pflanzen gegenüber abiotischem Stress. Im Rahmen des Projektes MUCILAGE wurden die physikochemischen Eigenschaften von Mucilage und dessen Einfluss auf die hydraulischen Eigenschaften des Bodens und die Wasseraufnahme durch Wurzeln untersucht. Es stellte sich heraus, dass Mucilage die Wasserhaltekapazität des Bodens erhöht, die Konnektivität der flüssigen Phase im trocknenden Boden verbessert und die Benetzbarkeit bei der Rückfeuchtung des Bodens temporär verringert. Diese Ergebnisse erklären vorangegangene Beobachtungen unerwarteter Hysteresis der Wasserdynamik in der Rhizosphäre von Lupinen und Mais in sandigen Böden. Der Effekt von Mucilage wurde durch ihre vier Schlüsseleigenschaften erklärt: 1) hohe Wasserhaltekapazität; 2) hohe Viskosität; 3) niedrige Oberflächenspannung; 4) hohe Hydrophobizität im trockenen Zustand. Bemerkenswerterweise stellte sich heraus, dass eine erhöhte Viskosität und verringerte Oberflächenspannung die Integrität von kapillaren Brücken zwischen Partikeln bewahrt und folglich die Konnektivität der flüssigen Phase in trocknenden Böden erhöht. Die physikalischen Eigenschaften wie Viskosität war dabei vom Anteil an Polysacchariden in der Mucilage abhängig. Ein zusätzliches Ergebnis dieses Projektes waren erhebliche Unterschiede zwischen Mucilage von verschiedenen Pflanzenarten und zwischen Mucilage von Pflanzenwurzeln und Pflanzensamen. Dieses Ergebnis legt nahe, dass Pflanzen unterschiedliche Strategien verfolgen, um die Rhizosphäre zu modifizieren. Die Ergebnisse wurden durch die Kombination von komplementären Methoden erzielt. Darunter waren physikalische und chemische Analysen, Rheometrie, Bildgebende Verfahren (z.B. Röntgentomographie, Neutronenradiographie und Rasterelektronenmikroskopie im leichten Vakuum) und Modellierungsansätze. Abschließend können wir sagen, dass wir verstanden haben, wie Wurzeln die lokalen physikalischen Eigenschaften des Bodens durch die Abgabe eines viskosen Gels modifizieren und dadurch die Fluktuation der Bodenfeuchte puffern. Wir erwarten, dass diese Modifikationen einen signifikanten Einfluss auf die Toleranz von Pflanzen gegenüber Trockenheit und Nährstoffmangel haben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2015. Roots at the percolation threshold. Physical Review E, 91: 042706
Kroener E, Ahmed MA, Carminati A
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2015. Water for Carbon, Carbon for Water. Vadose Zone Journal
Carminati A, Kroener E, Ahmed MA, Zarebanadkouki M, Holz M, Ghezzehei T
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2016. An efficient method for the collection of root mucilage from different plant species—a case study on the effect of mucilage on soil water repellency. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 179(2), 294-302
Zickenrott IM, Woche SK, Bachmann J, Ahmed MA, Vetterlein D
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2016. Biophysical rhizosphere processes affecting root water uptake. Annals of Botany, 118 (4): 561-571
Carminati A, Zarebanadkouki M, Kroener E, Ahmed MA, Holz M
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2017. Biohydrogel induced soil–water interactions: how to untangle the gel effect? A review. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 180, 121–141
Brax M, Buchmann C, Schaumann GE
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Liquid bridges at the root-soil interface. 2017. Plant and Soil, 1-15
Carminati A, Benard P, Ahmed MA, Zarebanadkouki M
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2018. Effect of mucilage on water properties in the rhizosphere monitored by 1H-NMR relaxometry. Microporous Mesoporous Mater., 269, 47–50
Brax M, Buchmann, C, Schaumann GE
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2019. Gel formation mechanism and gel properties controlled by Ca2+ in chia seed mucilage and model substances. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 182(1):92-103
Brax M, Schaumann GE, Diehl D
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2019. Potential of NMR relaxometry to unravel the properties of mucilage in several pore sizes. Geoderma, 15;340:269-78
Brax M, Köhne M, Kroener E, Schaumann GE
