Wurzel

Wurzeln sind in der Regel unterirdische Organe. Sie dienen

• der Verankerung der Pflanzen im Boden,
• der Aufnahme von Wasser und Mineralsalzen,
• deren Weiterleitung zu anderen Pflanzenorganen und
• gelegentlich auch als Speicherorgane für körpereigene organische Stoffe.

Der äußere Bau der Wurzeln
Alle Wurzeln einer Pflanze bilden ein Wurzelsystem. Bei zweikeimblättrigen Pflanzen besteht das Wurzelsystem aus einer in die Tiefe wachsenden Hauptwurzel, die fortlaufend Seitenwurzeln bildet. Die Hauptwurzel dringt tief in den Boden ein und bildet einen festen Anker.

Pflanzen, die mit ihren Wurzeln sehr tief in den Boden vordringen, heißen Tiefwurzler. Pflanzen, deren Wurzeln sich flach unter der Bodenoberfläche ausbreiten, nennt man Flachwurzler.

Einige Hauptwurzeln, z. B. die der Möhre und Zuckerrübe, sind als Speicherorgane umgebildet. Die gespeicherten Nährstoffe werden von der Pflanze während der Blüten- und Fruchtbildung verbraucht. Deshalb wird das Wurzelgemüse vor der Blüte geerntet. Einkeimblättrige Pflanzen haben ein sprossbürtiges Wurzelsystem. Bei ihnen stirbt die bei der Keimung des Samens gebildete Wurzel ab und wird durch mehrere aus der Basis der Sprossachse herauswachsende Wurzeln, den sogenannten sprossbürtigen Wurzeln, ersetzt. Die sprossbürtigen Wurzeln bilden dicht unter der Bodenoberfläche ein weit verzweigtes Wurzelsystem. Aus diesem Grund sind z. B. Gräser ausgezeichnete Bodenbedecker, die eine Bodenerosion verhindern. Die Wurzeln einiger Gräser können aber auch bis einige Meter tief in die Erde hineinreichen, um aus diesen tieferen Bodenschichten Wasser aufzunehmen.

Wurzelsysteme haben meist eine beträchtliche Gesamtlänge und können beachtliche Tiefen erreichen, z. B. besitzt eine Roggenpflanze eine Gesamtlänge des Wurzelsystems von 975 m und eine Wurzeltiefe von 2 m.
Die Zonierung einer Wurzel ist an Keimwurzeln gut erkennbar. An der Wurzelspitze befindet sich eine Wurzelhaube (Kalyptra). Sie schützt das darunter befindliche Bildungsgewebe, das durch Zellteilungen für das Wachstum der Wurzeln in den Erdboden verantwortlich ist. Der Bereich des Wachstums wird Streckungszone genannt. Er kann durch das Anlegen einer gleichmäßigen Markierung an Keimwurzeln leicht ermittelt werden. Dicht hinter der Streckungszone folgt die Wurzelhaarzone. Dort vergrößern viele winzige Wurzelhaare die Wurzeloberfläche. Sie tragen in besonderem Maße zur Gesamtlänge der Wurzelsysteme bei. Nur in dem Bereich der Wurzelhaarzone, der oft nur wenige Zentimeter lang ist, kann die Pflanze Wasser und Mineralsalze aufnehmen. Die sehr fein gebauten Wurzelhaare leben nur ein bis wenige Tage und werden mit dem Wachstum neu gebildet.

Wurzeltiefe von Pflanzen (Auswahl) in m:

Löwenzahn	0,30
Ackerwinde	1,00
Glockenblume	1,00
Sommer-Weizen	1,90
Erbse	2,10
Rotklee	2,10
Gerste	2,60
Hafer	2,60
Waldbäume	5-10
Wüstenpflanzen	10-20

Der innere Bau der Wurzeln
Obwohl die Wurzeln ein sehr unterschiedliches äußeres Aussehen haben können, sind sie in ihrem inneren Bau weitgehend übereinstimmend. Dies ist an einem Wurzelquerschnitt bzw. Wurzellängsschnitt zu erkennen. Das äußere Abschlussgewebe wird Rhizodermis (Wurzelhaut) genannt. Die Rhizodermis besteht aus einer Einzelschicht dicht aneinander gelagerter Zellen, die die Wurzel wie eine pflanzliche Haut schützt. An der Wurzelhaarzone haben die Rhizodermiszellen Ausstülpungen und bilden so die feinen Wurzelhärchen, die für die Aufnahme von Wasser und Mineralsalzen so wichtig sind. Nach innen schließt sich das Rindengewebe an. Es bildet den Hauptteil des Wurzelkörpers und füllt den Raum zwischen der Rhizodermis und dem Leitgewebe mit gleichmäßig geformten Grundgewebszellen aus. Das Rindengewebe kann neben Schutz- und Festigungsfunktionen auch Speicherfunktionen erfüllen. Die Endodermis ist die innerste Zellschicht der Rinde. Sie umschließt den Zentralzylinder mit den Leitbündeln. Die Leitbündel bestehen aus Gefäß- und Siebzellen. Die Gefäßzellen dienen der Leitung von Wasser, die Siebzellen transportieren organische Stoffe. Das Leitgewebe hat neben der Transportfunktion immer auch Stütz- und Festigungsfunktionen zu erfüllen. Die Stützzellen sind an ihrer verstärkten Zellwand zu erkennen.

Die Aufnahme des Wassers durch die Wurzeln
Die Wasseraufnahme der Pflanzen erfolgt durch die Wurzelhaarzellen. Sie beruht auf physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Diffusion. Die Diffusion ist ein physikalischer Vorgang, bei dem aufgrund der Eigenbewegung der Stoffteilchen ein Konzentrationsausgleich zwischen unterschiedlich konzentrierten gasförmigen oder flüssigen Stoffen erfolgt.

Wie erfolgt nun die Aufnahme des Wassers aus dem Boden?
Auf dem Weg in das Wurzelinnere müssen die Wasserteilchen zunächst von den Wurzelhaaren der Rhizodermis aufgenommen werden. Die Wurzelhaarzellen sind dünnwandige, schlauchförmige, lebende Zellen. Unter der Zellwand finden wir das Zellplasma mit dem Zellkern und großen Vakuolen (Zellsafträumen), in denen Salze und andere Stoffe gelöst sind. Das Zellplasma wird von der Zellwand und zu den Vakuolen jeweils durch dünne Membranen abgegrenzt. Die Membranen besitzen sehr kleine Poren.

Während Wasserteilchen die Poren ungehindert durchdringen können, sind sie für die größeren Stoffteilchen (z. B. Salzteilchen) nicht passierbar. Da die Membranen immer nur einen Stoff passieren lassen, nennt man sie semipermeable (halbdurchlässige) Membranen.

Um diese Verhältnisse an einem Modellexperiment zu veranschaulichen, werden die beiden unterschiedlich konzentrierten Lösungen durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt. Als semipermeable Membran kann man z. B. eine Schweinsblase oder einen Bockwurstkunstdarm verwenden. An einem Ende zugebunden, wird die Blase oder der Darm mit einem Steigrohr versehen und mit angefärbter konzentrierter Kochsalz- oder Zuckerlösung gefüllt. Diese Apparatur wird an einem Stativ in ein Becherglas mit Wasser gehängt.

Das im Becherglas befindliche Wasser stellt das Bodenwasser dar, das von der Wurzel aufgenommen werden soll. Der Bockwurstdarm symbolisiert die Zellmembranen, die das Zellplasma und die Vakuolen einschließen. Die konzentrierte Kochsalz- oder Zuckerlösung würde dem Zellplasma und den in den Vakuolen gelösten Salzen entsprechen. In der Versuchsanordnung können wir nach wenigen Minuten ein Ansteigen des Flüssigkeitspegels im Steigrohr entgegen der Schwerkraft beobachten. Angefärbtes Salz- oder Zuckerwasser lässt sich dagegen nicht im Becherglas nachweisen.

Wie lässt sich die Beobachtung erklären?
Der Konzentrationsausgleich zwischen dem Wasser und der Kochsalz- oder Zuckerlösung wird durch die semipermeable Membran in einer Richtung behindert. Die Kochsalzteilchen (konzentrierte Lösung) werden durch die semipermeable Membran zurückgehalten. Die Wasserteilchen (verdünnte Lösung) können die Membran ungehindert passieren und diffundieren in die Kochsalz- oder Zuckerlösung. Durch diese Wasseraufnahme steigt der Flüssigkeitsstand im Steigrohr. Die konzentrierte Kochsalz- oder Zuckerlösung wird durch die Wasseraufnahme verdünnt.

Die Wanderung von Wasserteilchen oder von kleinen gelösten Teilchen einer schwach konzentrierten Lösung durch eine semipermeable Membran in eine stärker konzentrierte Lösung wird als Osmose bezeichnet. Die Osmose ist ein physikalischer Vorgang, bei dem die Diffusion durch eine halbdurchlässige Membran erfolgt.

Im Zellplasma und in den Vakuolen der Wurzelhaarzellen ist die Konzentration der Stoffteilchen größer als die Konzentration der Wasserteilchen. Im Bodenwasser ist die Konzentration der Wasserteilchen größer als die Konzentration der Stoffteilchen. Zellplasma und Vakuolen einerseits und Bodenwasser andererseits sind durch semipermeable Membranen voneinander getrennt. Aufgrund des physikalischen Vorgangs der Osmose wird das Wasser aus dem Boden aufgenommen. Innerhalb der Zellen eines Gewebes wird das Wasser auf der physikalischen Grundlage der Diffusion geleitet. Zwischen den Zellen, auch denen verschiedener Gewebe, erfolgt die Wasserleitung durch Osmose, weil semipermeable Membranen zu passieren sind.

Die Vakuolen der inneren Zellen der Wurzel haben im Vergleich zu den Rhizodermiszellen eine höhere Konzentration an Stoffteilchen und eine geringere Konzentration an Wasserteilchen. Durch Osmose gelangt das Wasser in das Wurzelinnere zu den Leitbündeln und von diesen in die Sprossachse.

Die Mineralsalze können von der Pflanze nur in gelöster Form aufgenommen werden. Da die Zellmembranen für die gelösten Mineralsalze weitgehend undurchlässig sind, können diese nicht durch den Wasserstrom mittransportiert werden. Die Mineralsalze werden an ein Trägerteilchen der Membran gebunden und von diesem unter Energieverbrauch aktiv in das Zellinnere transportiert.