Pflanzen brauchen nur Wasser, Licht und Luft, um zu gedeihen. Doch wenn sie das Wasser aus dem Boden bis hoch in ihre Blätter befördern, trotzen Pflanzen der Schwerkraft. Diesen erstaunlichen Umstand umschreibt die Wissenschaft mit einem «negativen Wasserpotential»: eine Art Unterdruck, der es Kräutern, Sträuchern und Bäumen erlaubt, das Wasser aus dem Boden herauszuziehen.
Dennoch saugen Pflanzen nicht ständig Wasser aus dem Boden. Seit Jahrzehnten zerbricht sich die Forschung den Kopf, was die Saugkraft der Pflanzen begrenzt. Nun präsentiert das Team um Andrea Carminati, Professor für Bodenphysik an der ETH Zürich, in einer Zusammenarbeit mit den Pflanzenphysiologen Tim Brodribb von der University of Tasmania eine verblüffend einfache Antwort für dieses Rätsel: Wie stark die Pflanzen saugen können, hängt weniger von den Eigenschaften der Pflanzen selbst ab – als von der Art und Weise, wie das Wasser im Boden fließt. Ihre Erkenntnisse haben die Forschenden soeben in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.
Kapillarkräfte in den Bodenporen
Der Großteil des Wassers im Boden befindet sich in verschieden großen Poren. Sie üben Kapillarkräfte aus, die das Wasser zurückhalten. «Wir Bodenphysiker haben große Fortschritte gemacht bei der Bestimmung des besten Zeitpunkts für die Bewässerung», sagt Carminati. Wenn das Wasserpotential im Boden einen Schwellenwert von -1,5 Megapascal unterschreitet, sind Pflanzen nicht mehr in der Lage, ausreichend Wasser aufzunehmen. Oder in anderen Worten: «Wenn der Boden austrocknet, nehmen die Kapillar- und Viskositätskräfte in den Poren zu. Den Pflanzen fällt es immer schwerer, das Wasser aus dem Boden zu ziehen», erklärt Carminati.
Aber wie nehmen die Pflanzen das Wasserpotential im Boden wahr – und wie passen sie ihren eigenen Unterdruck daran an? Für Antworten auf diese Fragen hat Carminati die Zusammenarbeit mit Tim Brodribb gesucht. Der Pflanzenphysiologe von der University of Tasmania ist Experte für den pflanzlichen Wasserhaushalt.
Empfindliche Klappen
Auf der Blattunterseite besitzen Pflanzen spezielle Strukturen für den Gasaustausch: die sogenannten Spaltöffnungen, auch Stomata genannt. Das sind kleine Klappen, die sich von den Pflanzen gesteuert öffnen und schliessen. «Stomata sind wahnsinnig empfindlich», sagt Brodribb. Sind sie offen, kann Kohlendioxid aus der Luft ins Blatt hineinströmen. Gleichzeitig entweicht Wasser als Dampf in die Atmosphäre.
Wenn eine Pflanze ihre Spaltöffnungen schließt, spart sie Wasser ein. So verdurstet sie nicht. Aber bei geschlossenen Stomata muss die Pflanze hungern, weil weniger Kohlendioxid in die Blätter gelangt und die Pflanze damit weniger neue Zuckermoleküle herstellen kann: Sie wächst langsamer. «Letztlich bestimmt das Verhalten dieser winzigen Klappen, wieviel Kohlenstoff aus der Atmosphäre in die Biomasse von Landpflanzen gelangt», sagt Brodribb.
Erfolglose Züchtungsprogramme
Um das Wasser aus den Bodenporen zu saugen, betreibt die Pflanze einen beträchtlichen Aufwand. So sind etwa die Zellwände der Röhren, durch die das Wasser im Stängel oder Stamm nach oben strömt, verdickt. «So halten sie dem negativen Wasserpotential stand und knicken nicht ein», sagt Brodribb. Weiter oben in den Blättern erzeugen gelöste Substanzen in den Pflanzenzellen einen osmotischen Druck, der es den Zellen ermöglicht, trotz dem Unterdruck in den benachbarten Gefäßen prall zu bleiben.
Die Agrarindustrie versuche seit langem, Pflanzen zu züchten, die mehr Salz in ihren Zellen speichern – in der Hoffnung, dass die Pflanzen dadurch mehr Wasser aus dem Boden aufnehmen können und besser mit Dürre auskämen, erzählt Brodribb. Obwohl sehr viel Geld in solche Züchtungsprogramme geflossen sei, hätten sich die Hoffnungen aber nie verwirklicht. «Unsere Resultate erklären diesen Misserfolg: Der Flaschenhals liegt nicht in den Pflanzen, sondern im Boden», sagt Brodribb.
Sich kreuzende Blickwinkel
Carminati betont, wie wichtig die interdisziplinäre Herangehensweise bei ihrem Forschungsvorhaben war. Als Bodenphysiker hätten er und sein Team den Blick zu Beginn unter die Erde und dann in der Zusammenarbeit mit Brodripp allmählich weiter nach oben gerichtet. «Die Physik der Kapillarität bestimmt nicht nur, wie stark sich die Bodenporen entleeren, sondern auch was hoch oben in den Blättern geschieht», sagt Carminati.
Brodribb hingegen verschob seine Sichtweise in die entgegengesetzte Richtung: Ausgehend von Untersuchungen an Pflanzenzellen rutschte der Fokus immer weiter nach unten – bis ans Ende der Wurzelspitzen. «Unsere Analyse mit den Modellrechnungen des Wasserpotentials tragen in sehr grundlegender Weise zum Verständnis bei, wie Pflanzen funktionieren», sagt Brodribb.
ETH Zürich
Originalpublikation:
Carminati A, Javaux M, Wankmüller FJP, Brodribb TJ: Soils drive convergence in the regulation of vascular tension in land plants. Science 2026, 391: 476, DOI: 10.1126/science.adx8114
