Pflanzen verfügen über eine extrem hohe Anpassungsfähigkeit an ihre Umwelt. Wenn die Samen der Erbsensprossen, die beim Kochen übrig bleiben, in Wasser eingeweicht werden, wachsen die Sprossen und Blätter nach. Der außerordentliche Professor Kondo Yuki von der Graduate School of Science der Universität Kobe hat sich in seiner Forschung auf Gefäßbündel konzentriert, die für die Anpassung an die Umwelt unerlässlich sind.
Gefäßbündel haben vielfältige Funktionen, wie z. B. Gefäße für den Wasser- und Nährstofftransport, die Unterstützung des Pflanzenkörpers und die Übertragung elektrischer Signale, und wurden ursprünglich von vaskulären Stammzellen unterschieden. Er versucht zu klären, wie das Schicksal der verschiedenen Zellen, aus denen diese Gefäßbündel bestehen, mithilfe selbst entwickelter Kulturtechniken bestimmt wird.
Kondo erklärt: „Gefäßbündel bestehen aus einer Vielzahl von Zellen, darunter Gefäßzellen, die wie Blutgefäße bei Tieren von Wurzeln aufgenommenes Wasser und Mineralien an Blätter und Triebe weiterleiten; Siebröhrenzellen, die produzierte Zucker und Hormone transportieren.“ durch Photosynthese; Faserzellen, die den Körper unterstützen; und Zellen, die für das Laden und Entladen von Substanzen in und aus Transportröhren verantwortlich sind.“
„Das Schicksal dieser Zellen geht von vaskulären Stammzellen aus, die über Pluripotenz verfügen (sie können sich zu jeder Art von Zelle entwickeln), und der Prozess ist ähnlich wie bei Gymnasiasten, die zwischen naturwissenschaftlichen und geisteswissenschaftlichen Studiengängen wählen und ihre Auswahl für ein Grundstudium einschränken.“ Allerdings sind die Mechanismen, wie Stammzellen sich in verschiedene Zellen differenzieren und ihre Funktionen erfüllen, weitgehend ungeklärt. Meine Forschung ist von dem Wunsch motiviert, dieses Rätsel anzugehen und zu entschlüsseln.“
Auf der Suche nach den entscheidenden Punkten von Gefäßstammzellen hat der Pflanzenwissenschaftler eine Methode entwickelt, um aus Blattzellen von Arabidopsis thaliana Siebröhren- und Gefäßzellen herzustellen. Mit dieser Methode, die er VISUAL (Vascular cell Induction Culture System Using Arabidopsis Leaves) nennt, können Zellen, die bereits Blätter werden sollen, in Siebröhren und Gefäße umgewandelt werden.
Darüber hinaus gelang es ihm erstmals, Siebröhrenzellen, die aufgrund ihrer fehlenden morphologischen Eigenschaften als schwierig zu untersuchen galten, von Gefäßzellen zu unterscheiden, die bereits innerhalb von Gefäßbündeln zur Differenzierung angeregt worden waren.
Kondo erklärt: „Wenn Keimblätter (embryonale Blätter) von Arabidopsis thaliana auf einer Petrischale etwa vier Tage lang mit den Pflanzenhormonen Auxin und Cytokinin sowie einer als Bikini bekannten Verbindung kultiviert werden, ändern die Mesophyllzellen, aus denen die Blätter bestehen, ihr Schicksal in große.“ Anzahl der Sieb- und Gefäßzellen.“
„Dies ist die VISUAL-Methode, die wir entwickelt haben. Blätter besitzen ursprünglich Chloroplasten, die für die Photosynthese verantwortlich sind, da sie Blätter sind, aber wenn die Kultivierung in einer VISUAL-Umgebung beginnt, zerfallen die Chloroplasten allmählich.“
„Obwohl noch viele Dinge über den Mechanismus nicht verstanden sind, ermöglicht diese Methode, dass Blattzellen einmal zurückgesetzt (umprogrammiert) werden und zu Stammzellen werden, die das Potenzial haben, sich in verschiedene Zelltypen zu differenzieren. Sobald sie zu Stammzellen werden, scheinen sie.“ von diesem Zeitpunkt an eine schnelle Differenzierung bis hin zu den Gefäßbündelzellen durchlaufen.“
Forschung an Pflanzenzellen trägt zum Ziel der CO2-Neutralität bei
VISUAL erreicht die Umwandlung von Mesophyllzellen in Zellen, die Gefäßbündel bilden. Darüber hinaus wurde deutlich, dass die Reprogrammierungskapazität je nach Konzentration der Hormone und Verbindungen sowie dem Alter der Blätter variiert. Daher versucht er in jüngster Zeit, durch Anpassung der Kulturbedingungen nur gezielt Zellen zu produzieren.
Der Forscher der Universität Kobe erklärt: „Bisher konnten nur Gefäß- und Siebröhrenzellen hergestellt werden, aber durch die Modifikation von VISUAL ist es mir auch gelungen, die Differenzierung in Siebbegleitzellen zu induzieren, die an Siebröhrenzellen angrenzen und an der Aufrechterhaltung beteiligt sind.“ des Zelllebens in Siebröhren.
„Durch Gewebekulturtechniken können wir den Prozess der Gefäßbündelentwicklung in einer Petrischale nachbilden und so die Schlüsselfaktoren beobachten, die bei der Bestimmung des Schicksals von Pflanzenzellen eine Rolle spielen.“
Basierend auf früheren Forschungsergebnissen startete Kondo auch Initiativen im Zusammenhang mit den Sustainable Development Goals (SDGs). In einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Kobe wird daran geforscht, Pflanzenzellen so zu gestalten, dass Zellulose, die als Bioethanol verwendet werden kann, effizient gewonnen werden kann.
Derzeit erfordert die Gewinnung von Zellulose aus Holz einen erheblichen Energieaufwand, um unerwünschte Stoffe zu entfernen. Ziel von Kondo ist es jedoch, durch die Kombination von VISUAL- und genetischen Modifikationstechniken Zellen zu schaffen, die die Entfernung unnötiger Komponenten einfacher machen, ohne Energie zu verbrauchen. Diese Forschung stellt eine CO2-neutrale Anstrengung unter Nutzung pflanzlicher Energie dar und ist als Maßnahme zur Erreichung zweier SDG-Ziele vielversprechend: Energie und Klimawandel.
Darüber hinaus wird derzeit daran geforscht, mithilfe von VISUAL verschiedene Pflanzenarten zu kultivieren, darunter auch Ginkgobäume auf dem Campus der Universität Kobe. Bäume, deren Kultivierung mehrere Jahre dauert, können mit VISUAL in wenigen Wochen induziert und analysiert werden, was zu kürzeren Zyklen und größerer Effizienz in der Pflanzenforschung beiträgt.
Der Pflanzenwissenschaftler hat an einer Vielzahl von Forschungsthemen gearbeitet, von der Signalübertragung von Phytohormonen bis hin zur Schicksalsbestimmung und Zellinduktion, aber seit seiner Studienzeit konzentrierte er sich in seiner Forschung auf Gefäßbündel.
Kondo kommt zu dem Schluss: „Die neuesten Forschungsergebnisse zeigen, dass die Umgebung, in der Pflanzen wachsen, und die Nährstoffe wie Saccharose im Boden die Entwicklung von Gefäßstammzellen beeinflussen. Dies zu verstehen, ist genau das Ziel unserer Forschung. Pflanzen haben die Fähigkeit dazu.“ überleben in rauen Umgebungen, wie zum Beispiel Gras, das aus Rissen im harten Asphalt wächst, oder die Jomon-Zedern auf der Insel Yakushima, die Tausende von Jahren überleben.“
„Woher kommt diese Kraft? Ich widme jeden Tag meiner Forschung dem Verständnis der Lebensweise von Pflanzen.“