Bei einem sonnigen Frühlingsspaziergang durch einen Park übersieht man leicht die verborgenen Pflanzenteile. Pflanzenbiologen sehen das anders. Sie blicken unter die Oberfläche, wo Pflanzenwurzeln in ausgeklügelten Systemen organisiert sind, die für die Entwicklung des Organismus von entscheidender Bedeutung sind. Kompliziert organisierte Baumwurzelsysteme können sich beispielsweise so weit unter die Erde erstrecken, wie der Baum hoch über dem Boden wächst.
Durch die Anwendung einer fortschrittlichen Bildgebungstechnologie auf Pflanzenwurzeln haben Forscher der University of California San Diego und der Stanford University ein neues Verständnis der essentiellen Wurzelchemikalien entwickelt, die für das Pflanzenwachstum verantwortlich sind. Unter Verwendung einer Art Massenspektrometer erstellte eine Studie unter der Leitung des Postdoktoranden Tao Zhang von der UC San Diego Biological Sciences und der Assistenzprofessorin Alexandra Dickinson eine „Roadmap“, die zeigt, wo und wie wichtige kleine Moleküle entlang der Stammzellen von Maispflanzenwurzeln verteilt sind ihre Platzierung beeinflusst die Reifung der Pflanze. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
„Diese chemische Roadmap stellt eine Ressource dar, die Wissenschaftler nutzen können, um neue Wege zur Regulierung des Pflanzenwachstums zu finden“, sagte Dickinson, Fakultätsmitglied in der Abteilung für Zell- und Entwicklungsbiologie. „Mehr Informationen darüber zu haben, wie Wurzeln wachsen, könnte für den Naturschutz nützlich sein, wenn wir darüber nachdenken, unsere Pflanzen in natürlichen Umgebungen zu schützen und sie nachhaltiger zu machen, insbesondere in der Landwirtschaft.“
Während seiner Tätigkeit als Gastwissenschaftler an der Stanford University begann Dickinson mit der Co-Erstautorin der Studie, Sarah Noll, und Professor Richard Zare zusammenzuarbeiten, die ein Massenspektrometrie-Bildgebungssystem entwickelten, das Chirurgen bei Tumorentfernungsoperationen dabei hilft, zwischen krebsartigem und gutartigem Gewebe zu unterscheiden.
Dickinson, Zare und Noll haben die Technologie – „Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry Imaging“ oder DESI-MSI genannt – angepasst, um Pflanzenwurzeln auf die Chemikalien zu untersuchen, die am Wachstum und der Energieproduktion beteiligt sind. Sie konzentrierten sich zunächst auf Maispflanzen an den Wurzelspitzen, wo Stammzellen eine aktive Rolle in der Pflanzenentwicklung spielen. Ihre Methode bestand darin, die Mitte der Wurzel zu durchschneiden, um ein klares Bild der darin enthaltenen Chemikalien zu erhalten.
„Um Pflanzenwurzeln aus biologischer Sicht zu verstehen, mussten wir herausfinden, welche Chemikalien darin vorkommen“, sagte Zare. „Unser Bildgebungssystem versprüht Tröpfchen, die auf verschiedene Teile der Wurzel treffen und an dieser Stelle Chemikalien auflösen. Ein Massenspektrometer sammelt den Tröpfchenspritzer und sagt uns, um welche gelösten Chemikalien es sich handelt. Durch systematisches Scannen des Tröpfchenzielpunkts erstellen wir eine räumliche Karte davon.“ die Wurzelchemikalien.“
Die resultierenden Bilder, von denen angenommen wird, dass sie zu den ersten gehören, die den Übergang zwischen Stammzellen und reifem Wurzelgewebe zeigen, zeigen die grundlegende Rolle von Metaboliten – Molekülen, die an der Energieproduktion der Pflanze beteiligt sind. Metaboliten des Tricarbonsäurezyklus (TCA) standen im Mittelpunkt der Forschung, da festgestellt wurde, dass sie eine Schlüsselrolle bei der Steuerung der Wurzelentwicklung spielen.
Zu Beginn der Studie erwarteten die Forscher eine relativ gleichmäßige Verteilung der Chemikalien. Stattdessen stellten sie anhand ihrer chemischen Roadmap fest, dass TCA-Metaboliten in Flecken entlang der Wurzel gehäuft sind.
„Ich war überrascht, wie viele Chemikalien in wirklich unterschiedlichen Mustern vorkommen“, sagte Dickinson. „Wir können sehen, dass die Pflanze dies mit Absicht tut – sie braucht diese Moleküle in bestimmten Regionen, um richtig zu wachsen.“ Das Dickinson-Labor zeigte, dass diese TCA-Metaboliten vorhersehbare Auswirkungen auf die Entwicklung haben, nicht nur bei Mais, sondern auch bei einer anderen Pflanzenart (Arabidopsis). Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass TCA-Metaboliten hoch konserviert sind – sie werden sowohl in allen Pflanzen als auch in Tieren hergestellt.
Aus den neuen Bildern gingen auch bisher nicht identifizierte chemische Verbindungen hervor. Laut Dickinson könnten die mysteriösen Verbindungen für das Pflanzenwachstum von entscheidender Bedeutung sein, da sie auch an bestimmten Orten in Mustern gruppiert sind, was auf eine herausragende Rolle bei der Entwicklung schließen lässt. Dickinson und ihre Kollegen untersuchen nun diese Verbindungen und vergleichen Maissorten, die eine unterschiedliche Stressresistenz gegenüber widrigen Bedrohungen wie strengen Klimabedingungen und Dürre aufweisen. Die neuen Informationen werden ihnen dabei helfen, neuartige chemische und genetische Strategien zur Verbesserung des Pflanzenwachstums und der Stressresistenz zu entwickeln.
„Wir untersuchen verschiedene Maispflanzen, die dürreresistent sind, um zu sehen, ob wir bereits für diese Sorte spezifische Chemikalien gefunden haben, die wir bei anderen Sorten nicht gesehen haben“, sagte Dickinson. „Wir glauben, dass dies eine Möglichkeit sein könnte, neue Verbindungen zu finden, die das Wachstum fördern können, insbesondere unter rauen Bedingungen.“
Die vollständige Autorenliste der Studie umfasst: Tao Zhang, Sarah Noll, Jesus Peng, Amman Klair, Abigail Tripka, Nathan Stutzman, Casey Cheng, Richard Zare und Alexandra Dickinson.
Mehr Informationen:
Tao Zhang et al., Chemische Bildgebung enthüllt vielfältige Funktionen von Tricarbonsäure-Metaboliten im Wurzelwachstum und in der Wurzelentwicklung. Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38150-z