Zu Dutzenden stehen akribisch ausgerichtete Petrischalen mit Keimlingen in der Klimakammer. Quadratisch, praktisch, hochkant. Auf Nährmedium wachsen die kleinen Pflänzchen heran, und jedes noch so kleine Wurzelzipfelchen wird vom Kennerblick oder einer Kamera erfasst. Das Wurzelwachstum auf die Weise Schritt für Schritt verfolgen zu können, hat jedoch seinen Preis. Vom künstlichen Nährmedium einmal abgesehen, erinnern die Aufzuchtbedingungen nur entfernt an die „Welt auf dem Acker“, sodass die Ergebnisse nur bedingt übertragbar sind. Die eingestellte Temperatur mag passen, und das 16-Stunden-hell/8-Stunden-dunkel-Regime auch, doch auf Petrischalen gibt es kein ober- und unterirdisch. Die Wurzeln stehen täglich genauso im Rampenlicht wie Sprosse und Blätter. Das geht an ihnen nicht spurlos vorüber. Authentischer sind da schon die Erdtöpfe im Klimakammer-Regal. Nur was darin an den Wurzeln vorgeht, oder vielmehr vorgegangen ist, sieht man erst, wenn man die Pflänzchen herauszieht.
Tausend Steine und Platten
Abhilfe schafft die Dark-Root Device Brick Black Box (DRD-BIBLOX), die Verena Ibls Gruppe an der Universität Wien zusammen mit Kollegen von der LMU München ausgeheckt hat. Die DRD-BIBLOX ist eine handliche Dunkelkammer, in der mit Erde gefüllte Platten (Rhizoboxen) platziert und beobachtet werden können. Die Platten mit den Dimensionen 20x15x3 Zentimeter sind gerade so flach, dass Erde eingefüllt werden kann und die Wurzeln wachsen. Dennoch sieht man die Wurzeln hinter der durchsichtigen Außenwand. Sie werden wahlweise per 3D-Druck hergestellt oder mit fünf Millimeter dünnen PVC-Platten zusammengeklebt.
Bis zu ein Dutzend Platten finden im Gehäuse Platz, das als Dunkelkammer dient. Die DRD-BIBLOX aus fast tausend Legobausteinen und -platten zusammenzubauen, ist eine einmal anfallende Aktion von etwa einer Stunde. Steht die Kammer erst einmal, ist sie unerschütterlich und kann mit den Rhizoboxen bestückt werden. Die Rhizoboxen stehen im 60-Grad-Winkel parallel zueinander in der Kammer, die Oberkanten von Rhizoboxen und Dunkelkammer sind auf gleicher Höhe. Der oberirdische Teil der Pflanzen ragt aus Rhizoboxen und Dunkelkammer hinaus in die helle Umgebung.
Authentische Bedingungen
In der DRD-BIBLOX wird eine Pi3-Kamera sowie ein Cluster aus Infrarot-LEDs installiert. Die Kamera ist mit einem Kabel, das durch ein Loch in der Dunkelkammer geführt wird, mit einem Raspberry Pi-Computer außerhalb der Box verbunden. Insgesamt kostet die Bastelei 520 Euro Materialkosten. LEDs und Kamera werden so eingestellt, dass eine Sekunde lang Licht auf die Platten trifft. Das ist gerade lang genug, um ein Foto „im Hellen“ zu knipsen.
Mit dem Ziel, möglichst authentische Anzuchtbedingungen in den Rhizoboxen nachzubilden, sammelte die Gruppe drei Jahre lang auf Bio- und konventionellen Äckern Daten zu Feuchtigkeit, Bodenzusammensetzung, Salzgehalt und andere Standortfaktoren. Die mit Proben aus unterschiedlichen Bodentiefen gewonnenen Daten sind öffentlich verfügbar (www.celbics.com).
In die wiederverwendbaren Rhizoboxen kann man beliebiges Anzuchtmaterial einfüllen, beispielsweise Kokosfasermatten, Erde oder Sand. Je nach Pflanzenart – die Wiener testeten Gerste, Weizen, Mais und Tomaten – passen sieben Samen (Gerste) oder mehr in eine Rhizobox. Dass Licht-exponierte Wurzeln kein künstlich konstruiertes Problem sind, zeigte Ibls Team mit phänotypischen Beobachtungen und Proteom-Analysen. Von gut 2.000 Proteinen, die in jungen Gerstepflänzchen identifiziert wurden, sprach gut die Hälfte auf eine Belichtung der Wurzeln an.
Andrea Pitzschke
Dermendjiev, G. et al. (2023): A bench-top dark-root device built with LEGO® bricks enables a non-invasive plant root development analysis in soil conditions mirroring nature. bioRxiv, DOI: 10.1101/2023.02.12.528178
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