Pflanzen stehen vor einer entscheidenden Herausforderung: Sie müssen sich an unser sich schnell veränderndes Klima anpassen oder sterben. Für manche Pflanzen bedeutet das, sich an höhere Temperaturen und weniger Wasser anzupassen. Für andere geht es um die Verfügbarkeit von Nährstoffen in sich verändernden Böden.
Aus menschlicher Sicht brauchen wir dringend Nahrungsmittel und Bioenergiepflanzen, um mit dem Klimawandel Schritt zu halten.
Wissenschaftler können mit Gentechnik und synthetischer Biologie vielleicht dabei helfen, Pflanzen in die richtige Richtung zu lenken, aber zuerst müssen sie verstehen, was in der Rhizosphäre vor sich geht – dem System, das die Wurzeln einer Pflanze, den umgebenden Boden und alle Mikroben umfasst. Nährstoffe und Chemikalien, die in diesem Boden vorhanden sind.
Ritimukta Sarangi, leitende Wissenschaftlerin an der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) am SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums, und die assoziierte Wissenschaftlerin Jocelyn Richardson, die die biologische und ökologische Forschung (BER) an den SSRL-Einrichtungen unterstützt, legen viele davon nahe Die Röntgengeräte des Labors – Kristallographie, Streuung, Spektroskopie und Mikroskopie – dienen der Untersuchung der Rhizosphäre.
In den letzten Jahren hat das Team – das von einer großen Gruppe von Einrichtungswissenschaftlern in der Abteilung für strukturelle Molekularbiologie (SMB) des SSRL unterstützt wird – daran gearbeitet, die Mechanismen aufzudecken, die hinter dem biologischen und chemischen Austausch in der Rhizosphäre stehen. Wenn Wissenschaftler diese Mechanismen – und die Folgen dieses Austauschs – verstehen, können sie möglicherweise klimaangepasste Pflanzen entwickeln, die Nährstoffversorgung aus Böden nachhaltig erhöhen und den kooperativen Austausch zwischen Pflanzen und Mikroben identifizieren, der gut auf Umweltstress reagiert.
In dieser Frage-und-Antwort-Runde gibt Sarangi ein Update darüber, wie Richardson, die SMB-Mitarbeiter und Synchrotron-Benutzer gleichermaßen die Widerstandsfähigkeit von Pflanzen von der molekularen Ebene bis zur Ökosystemebene angehen.
Warum Pflanzen studieren?
Wir wollen herausfinden, wie wir bessere Pflanzen in einem Klima anbauen können, in dem die Temperaturen steigen, der Kohlendioxidgehalt zunimmt und die Wassermenge für die Pflanzen sinkt. Diese Auswirkungen treten bereits jetzt ein und werden sich in Zukunft noch verstärken.
Forscher nutzen die Röntgenstrahlen des SSRL, um so viele verschiedene Dinge zu untersuchen. Welchen Nutzen haben Röntgenstrahlen für die Untersuchung der Rhizosphäre bzw. des Bodens um Pflanzenwurzeln?
Mit unseren Tools bei SSRL können wir visualisieren, was auf molekularer Ebene geschieht – molekulare Transformationen, die stattfinden, wenn Pflanzen bestimmte Nährstoffe aufnehmen. Alle Veränderungen, die in einer Pflanze stattfinden – Pflanzenvitalität, Pflanzenwachstum, Pflanzenlebensdauer, Pflanzenkrankheitstoleranz, Pflanzentrockenheitstoleranz – beginnen bei der Wurzel und der Rhizosphäre.
Unsere Tools sind einzigartig positioniert, um zu sehen, wie diese Transformationen stattfinden. Wir können diese Transformationen mit verschiedenen Synchrotrontechniken visualisieren und die Ergebnisse fließen in die Frage ein: „Wie können wir zum Design widerstandsfähiger Pflanzensysteme beitragen?“
Welche Pflanzen brauchen wir, um besser anzubauen, und warum?
Wir brauchen, dass alle Nutzpflanzen besser wachsen! Aber als DOE-Einrichtung konzentrieren wir uns auf Bioenergiepflanzen, wobei eine Klasse von Gräsern, die zur Erzeugung von Biomasse verwendet werden können, vorherrschend ist. Sie wandeln diese Ernte in Biomasse um und dann wandeln Sie diese Biomasse in Kraftstoff um – zum Beispiel Ethanol – und verbrennen diesen dann zur Energiegewinnung.
Unsere Nutzer und Wissenschaftler wollen herausfinden, wie man Bioenergiepflanzen herstellen kann, die auf genetischer Ebene widerstandsfähiger gegen veränderte und gestresste Bedingungen sind. Unsere Werkzeuge können zum Verständnis dieser gentechnisch veränderten Pflanzensysteme beitragen.
Diese Forschung ist auch für Nahrungspflanzen von großer Bedeutung, und wir haben sowohl Bioenergie- als auch Nahrungspflanzenforscher, die ihre Pflanzen am SSRL untersuchen. Denken Sie an Reis. Kalifornien ist ein bedeutender Reisproduzent. Auch Kalifornien leidet unter Dürre und Reis ist eine sehr wasserdurstige Pflanze. Darüber hinaus gibt es in Kalifornien diese tiefen Gebiete mit Arsenkontamination.
All diese Faktoren spielen also zusammen und machen es für uns wichtig, die Nährstoffaufnahme durch die Rhizosphäre zu untersuchen. Wissenschaftler stellen Fragen wie: „Können wir unseren Anbaustil für Nahrungsmittel so ändern, dass das Arsen nicht aufgenommen wird?“ oder: „Können wir unsere Bewässerungspraktiken ändern, damit wir der Pflanze die richtige Menge Wasser zur richtigen Zeit zuführen können?“ Und dabei können wir helfen.
Was ist ein Beispiel für ein Projekt, an dem Sie arbeiten?
Im Moment laufen zwei große Projekte, eines zum Reisanbau und eines zur Erforschung dieser synthetischen Bodenlebensräume. Das Reisanbauprojekt ist eine Zusammenarbeit mit einem Universitätsforscher, und die synthetischen Bodenlebensräume sind eine Zusammenarbeit, die Jocelyn Richardson mit einer Gruppe von Wissenschaftlern am Pacific Northwest National Lab (PNNL) leitet.
Unsere pflanzenwissenschaftliche Forschungsgemeinschaft untersucht auch Aspekte der Pflanzen-Rhizosphäre wie Metalloxidationsstufen im Boden und den Nährstoffaustausch zwischen Pflanzen und Mikroben, die sich auf andere wichtige Prozesse wie die Kohlenstoffbindung im Boden und den terrestrischen Kohlenstoffkreislauf auswirken.
Können Sie die simulierte Bodenkollaboration beschreiben?
Wir arbeiten mit Wissenschaftlern am PNNL zusammen, um diese synthetischen Bodenlebensräume zu schaffen, in denen Sie Ihre Energiepflanze anbauen können. Die Technologie beginnt mit einem porösen Substrat, das den Boden für das Pflanzenwachstum simuliert. Wir können dann nacheinander Mineralien, Mikroben oder Mikrobengemeinschaften oder Schadstoffe wie Arsen oder Blei hinzufügen, um deren individuelle Auswirkungen zu sehen, was beim Betrachten von echtem Boden, wo es so viele andere Faktoren gibt, nicht zu sehen ist Auswirkungen auf das, was Sie sehen.
Das Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL) am PNNL hat bei einigen dieser synthetischen Bodenlebensräume Pionierarbeit geleistet. Zusammen mit Mitgliedern unseres Teams haben sie ein sehr schönes geschrieben Papier, die zeigte, wie Pilze Nährstoffe – insbesondere Kalium – von mineralischen Oberflächen aufnehmen. Die Pilze haben eine Möglichkeit, ihre kleinen Tentakel in Richtung entfernter Nährstoffe zu schicken, und sie wollten herausfinden, woher die Pilze wissen, dass sie in diese Richtung wachsen.
Sie fanden heraus, dass die Pilze nur dann in Richtung dieser entfernten Nährstoffe wachsen konnten, wenn Mineralien vorhanden waren. In nachverfolgen StudienSie zeigten, dass die Pilze Säuren ausscheiden, die Mineraloberflächen abbauen, den Pilzen Zugang zu den Mineralelementen verschaffen und das Pilzwachstum fördern.
In dieser Zusammenarbeit untersuchten sie die simulierten Bodenumgebungen mit verschiedenen Methoden. Und es war für uns ziemlich offensichtlich, dass die Verwendung von Röntgengeräten erforderlich war. Das war eine Art Aha-Moment für uns und wir sagten: Okay, wir können es für diese Pilz-Pflanzen-Interaktion verwenden, aber machen wir es auch größer.
Schauen wir uns andere Bioenergiepflanzen an. Können wir eine Vielzahl verschiedener simulierter Bodenumgebungen erstellen, von sehr kleinen Pilz- und Bakterieninteraktionen bis hin zur Untersuchung von Sorghumpflanzen? Daher kommt der Anstoß für dieses Projekt.
Was sind die langfristigen Ziele dieses Rhizosphärenprogramms?
Wir fangen gerade erst an. Wir haben einige wichtige Kooperationen im Bereich Bioenergie und Nahrungspflanzenforschung und sind an dem Punkt angelangt, an dem wir die PNNL-Technologie anpassen, um sie modularer und auf eine Vielzahl von Nutzpflanzen anwendbar zu machen.
Letztendlich wollen wir eine gemeinsame Präsenz im Bereich der Nachhaltigkeit schaffen, die Bioenergie, Nahrungspflanzen, synthetische Biologieforschung und die Untersuchung, wie Metalle in der Biologie diese Arbeit beeinflussen, umfasst. Nationale Labore sind der beste Ort für diese Art der kollaborativen Wissenschaft. Wir arbeiten zusammen, wir bringen unterschiedliche Fachkenntnisse ein und wir sind uns darüber im Klaren, dass wir selbst nicht über alle Werkzeuge verfügen, um diese komplexen Fragen zu beantworten.
Wir bei SSRL und SLAC zeichnen uns durch die Beantwortung von Fragen aus, die mit der Nährstoffaufnahme und der Pflanzenlebendigkeit zusammenhängen. Wir möchten auch unsere SMB-Tools erweitern und weiterentwickeln, damit die Benutzergemeinschaft sie für wissenschaftliche Zwecke nutzen kann, die für das BER-Programm des DOE relevant sind. Die Rhizosphärenwissenschaft hat Einfluss auf die Nachhaltigkeitsarbeit und ist ein Bereich, in dem unsere Werkzeuge sehr effektiv sein können.