Phosphat-Biosensoren könnten zu einer effizienteren Düngemittelverwendung führen

Shiqi Zhang verbrachte viele Monate damit, allein in einem dunklen Raum zu sitzen und konzentriert in die Linse eines konfokalen Mikroskops zu starren, während sie einen Laserstrahl auf Pflanzenzellen richtete, die auf einem Objektträger aus Glas befestigt waren. Sie maß Veränderungen in der Intensität des fluoreszierenden Lichts, das von den Zellen ausgestrahlt wurde, wenn sie von einem Laserstrahl getroffen wurden. Die subtile, akribische Arbeit hat sich gelohnt: Anhand der resultierenden farbenfrohen Bilder konnte sie den Phosphatgehalt in einzelnen lebenden Zellen eines symbiotischen Pflanzen-Pilz-Systems messen – etwas, das noch nie zuvor gemacht worden war.

„Vor dieser Studie konnten wir Phosphat nur quantifizieren, indem wir die Wurzel zermahlen, sie maßen und eine Reihe von Zahlen auf einem Bildschirm anzeigten“, sagte Zhang, ein Postdoktorand im Labor von Maria Harrison am Boyce Thompson Institute. „Eigentlich war es viel spannender, Phosphat in Farbe in einer Zelle unter einem Mikroskop zu sehen.“

Die Werkzeuge und Methoden, die das Team für die Studie entwickelt hat, finden breite Anwendung in der Agrarforschung. Beispielsweise könnten sie dabei helfen, Pflanzenvarianten zu identifizieren, die Phosphat effizient zu ihren Wurzeln, Trieben und Früchten leiten – ganz gleich, welcher Teil der Pflanze geerntet wird – und Pflanzenzüchter könnten diese Informationen nutzen, um die Ernte zu verbessern.

„Alles, was Pflanzen bei der Verwendung von Phosphat effizienter macht, ist für die Landwirtschaft von großem Nutzen, und diese Werkzeuge werden dazu beitragen, dies zu erreichen“, sagte Harrison.

Die Ergebnisse wurden in der Juni-Ausgabe von veröffentlicht Neuer Phytologe.

Harrisons Labor untersucht die symbiotischen Beziehungen zwischen arbuskulären Mykorrhizapilzen und Landpflanzen. Die Wirtspflanze tauscht Kohlenstoff gegen mineralische Nährstoffe, hauptsächlich Phosphat, aus dem Pilz aus, der diese Nährstoffe findet, indem er lange filamentartige Strukturen, sogenannte Hyphen, aus dem Wirt heraus und in den Boden ausdehnt. Aber wie genau die Pilze den Phosphatgehalt ihrer Wirte beeinflussen und wie einzelne Wirtszellen auf Änderungen des Phosphatgehalts reagieren, war unbekannt.

„Wir wussten, dass Phosphat vom Pilz zur Wirtspflanze und dann zwischen den Zellen im Wirt wanderte, aber niemand hatte die Übertragung tatsächlich verfolgt“, sagte Harrison. „Modifizierende Tools, die von Kollegen der Texas A&M University entwickelt wurden, ermöglichten es uns, diese Dynamik zu visualisieren und zu überwachen.“

Der Schlüssel zu der Technik war die Verbesserung von Biosensoren, bei denen es sich um fluoreszierende Proteine ​​handelt, die genetisch in einer Pflanze kodiert sind und ein bestimmtes Ion wahrnehmen. Wenn die Biosensoren das Ion binden, ändert sich die Farbe des fluoreszierenden Lichts, das sie emittieren, und liefert eine quantifizierbare Anzeige des Ionengehalts. Ein Kontroll-Biosensor, der kein Phosphat bindet, wurde ebenfalls entwickelt. Diese Aspekte der Arbeit wurden bei Texas A&M im Labor von Wayne Versaw durchgeführt.

Gemeinsam modifizierten die Teams von Harrison und Versaw die Biosensoren so, dass sie speziell in Mykorrhiza-Wurzelzellen arbeiten konnten. Die Sensoren wurden in Brachypodium distachyon getestet, das in Symbiose mit zwei Arten von AM-Pilzen lebt, und es wird erwartet, dass sie in mehreren wichtigen landwirtschaftlichen Nutzpflanzenarten, darunter Reis, Weizen und Sorghum, funktionieren.

„In meiner Doktorarbeit habe ich mit Calcium-Biosensoren gearbeitet, und die Phosphat-Biosensoren arbeiten nach denselben Prinzipien“, sagte Zhang.

„Shiqis Erfahrung ermöglichte es ihr, die Grenzen der Bildgebung von Mykorrhizawurzeln zu erweitern, indem sie den relativen Phosphationengehalt lokalisierte und quantifizierte“, fügte Harrison hinzu.

Zusammen erlaubten die neuen Werkzeuge und Methoden dem Team zu beobachten, wie der Phosphatgehalt zwischen den Zelltypen der B. distachyon-Wurzel variierte; wie sich der Phosphatgehalt in den Zellen mit dem Entwicklungsstadium des nahe gelegenen Pilzes veränderte; und wie schnell der Pilz Phosphat auf benachbarte Pflanzenzellen übertrug.