Können wir Pflanzen frühzeitig vor drohenden Gefahren warnen?

Stellen Sie sich vor, Menschen könnten mit Pflanzen „sprechen“ und sie vor bevorstehenden Schädlingsbefall oder extremen Wetterbedingungen warnen.

Ein Team von Pflanzenwissenschaftlern am Sainsbury Laboratory der Cambridge University (SLCU) möchte diese Science-Fiction in die Realität umsetzen, indem es lichtbasierte Nachrichten nutzt, um mit Pflanzen zu „sprechen“.

Obwohl sich ihr neues Optogenetik-Tool noch in der Anfangsphase der Entwicklung befindet, hat das Forschungsteam von Alexander Jones bereits gezeigt, dass sie die Immunität und Pigmentproduktion von Pflanzen allein durch Veränderung des Lichts steuern können.

Licht dient als universelles Mittel der täglichen menschlichen Kommunikation, beispielsweise zur Signalisierung an Ampeln, Fußgängerüberwegen oder dem Offen-Geschlossen-Status eines Ladens.

Das Jones-Team nutzt Licht auch als Botenstoff bei der Entwicklung von Werkzeugen, die es Pflanzen ermöglichen, mit Menschen und Menschen mit Pflanzen zu kommunizieren.

Das Team der Universität Cambridge hat zuvor eine Reihe von Biosensoren entwickelt (ABACUS2 und GPS1) mithilfe von Fluoreszenzlicht, um in Echtzeit visuell zu kommunizieren, was auf zellulärer Ebene in Pflanzen geschieht, und um die Dynamik wichtiger Pflanzenhormone aufzudecken. Diese Biosensoren können uns sagen, wie Pflanzen auf Umweltstress reagieren – Pflanzen sprechen mit Menschen.

Ihre neueste Forschung wurde veröffentlicht in PLOS-Biologiebeschreibt ein neues Tool namens Highlighter, das bestimmte Lichtbedingungen nutzt, um die Expression eines Zielgens in Pflanzen zu aktivieren, um beispielsweise deren Abwehrmechanismen auszulösen – Menschen sprechen mit Pflanzen.

Die Vorstellung, dass Menschen in der Lage sind, auf sinnvoller Ebene mit Pflanzen zu kommunizieren, hat schon lange die Fantasie der Menschen beflügelt. Wenn eine solche Fähigkeit möglich wäre, könnte sie die Landwirtschaft und unsere Beziehung zu Pflanzen revolutionieren.

„Wenn wir Pflanzen vor einem bevorstehenden Krankheitsausbruch oder Schädlingsbefall warnen könnten, könnten die Pflanzen ihre natürlichen Abwehrmechanismen aktivieren, um weitreichende Schäden zu verhindern“, sagte Dr. Jones. „Wir könnten Pflanzen auch über bevorstehende extreme Wetterereignisse wie Hitzewellen oder Dürre informieren und ihnen so ermöglichen, ihre Wachstumsmuster anzupassen oder Wasser zu sparen. Dies könnte zu effizienteren und nachhaltigeren landwirtschaftlichen Praktiken führen und den Bedarf an Chemikalien verringern.“

Optogenetik in Pflanzen

Um die Zellaktivität zu verstehen, müssen Biologen in der Lage sein, biomolekulare Prozesse auf zellulärer Ebene zu kontrollieren. Optogenetik ist eine wissenschaftliche Technik, die einen Lichtreiz nutzt, um einen bestimmten Prozess innerhalb einer Zelle zu aktivieren oder zu deaktivieren.

Dazu fügen Wissenschaftler lichtempfindliche Proteine ​​(Photorezeptoren) in die Zellen ein, die sie steuern möchten, und bestrahlen dann die Zellen mit Licht, um den Zielprozess zu aktivieren oder zu inaktivieren.

Im letzten Jahrzehnt hat die Optogenetik die Neurowissenschaften revolutioniert, indem sie es Biologen ermöglicht hat, Funktionen einzelner Neuronen zu isolieren. Dies hat zu bahnbrechenden Entdeckungen über das Gehirn geführt und unser Verständnis von Krankheiten wie Epilepsie, Wirbelsäulenverletzungen und der Parkinson-Krankheit erweitert.

Allerdings war die Anwendung der Optogenetik auf Pflanzen schwierig. Dies liegt daran, dass Pflanzen bereits viele Photorezeptoren enthalten und ein breites Lichtspektrum nutzen, um ihr Wachstum und ihre Entwicklung zu koordinieren. Der Wechsel von dunkel zu hell aktiviert auch einheimische pflanzliche Photorezeptoren und eine Vielzahl zellulärer Systeme.

Dieses Problem wird durch die Tatsache verschärft, dass viele der leistungsstärksten optogenetischen Aktoren genetische Teile von Pflanzen verwenden. Das bedeutet, dass sie bei Verwendung in Pflanzen mit anderen Photorezeptoren interagieren und diese stören würden.

Textmarker können auch biomolekulare Prozesse in Pflanzen beleuchten

Bo Larsen, der Highlighter während seiner Zeit an der SLCU entwickelt hat, hat uns diesem Ziel, mit Pflanzen zu „sprechen“, einen großen Schritt näher gebracht, indem er ein lichtgesteuertes Genexpressionssystem (optogenetisches System) von einem prokaryotischen System in ein maßgeschneidertes eukaryotisches System umgewandelt hat für Pflanzen.

Beim Einsatz in Pflanzen verwendet Highlighter minimalinvasive Lichtsignale, kann aktiviert und inaktiviert werden und wird vom Hell-Dunkel-Wechsel in Wachstumskammern nicht beeinflusst.

Das aktuelle Highlighter-System ist unter blauen Lichtbedingungen inaktiv und im Dunkeln sowie unter weißen, grünen und, geheimnisvollerweise, roten Lichtbedingungen aktiv. Weitere Arbeiten sind geplant, um die Entwicklung von Highlighter voranzutreiben, aber das Team hat bereits die optogenetische Kontrolle über die Pflanzenimmunität, die Pigmentproduktion und ein gelb fluoreszierendes Protein nachgewiesen, letzteres in zellulärer Auflösung.

„Highlighter ist ein großer Fortschritt in der Entwicklung optogenetischer Werkzeuge in Pflanzen und seine hochauflösende Genkontrolle könnte zur Untersuchung einer Vielzahl grundlegender Fragen der Pflanzenbiologie eingesetzt werden“, fügte Dr. Jones hinzu.

„Eine wachsende Toolbox für Pflanzen mit vielfältigen optischen Eigenschaften eröffnet auch spannende Möglichkeiten zur Verbesserung von Nutzpflanzen. Beispielsweise könnten wir in Zukunft eine Lichtbedingung verwenden, um eine Immunantwort auszulösen, und dann eine andere Lichtbedingung, um ein bestimmtes Merkmal genau zeitlich festzulegen.“ , wie Blüte oder Reifung.

Die Geschichte hinter der Forschung

Dr. Jones, der nach einem optogenetischen Genexpressionsschalter suchte, der unter normalen Lichtbedingungen im Gartenbau angewendet werden könnte, ohne die endogene Pflanzenphysiologie und -entwicklung zu beeinträchtigen, suchte Rat bei J. Clark Lagarias, UC Davis, einem Experten für Phytochrom- und Cyanobacteriochrom-Licht. Schalter.

Er schlug vor, das prokaryotische optogenetische CcaS-CcaR-System umzugestalten, das ursprünglich aus photosynthetischen Mikroben stammte und das Verhältnis von grünen (ein) zu roten (aus) Lichtsignalen nutzt. Durch die reversible Modulation des Spektrums des weißen Lichts, das Pflanzen zum Wachsen benötigen, könnten Gene mithilfe eines minimalinvasiven Reizes ein- oder ausgeschaltet werden.

Doch als Dr. Larsen Highlighter zu einem eukaryotischen optogenetischen System entwickelte, entdeckte er ein unerwartetes Blue-Off-Verhalten. Könnte die Umwandlung die grün-roten Spektraleigenschaften des CcaS-Photorezeptors verändert haben? Gemeinsam mit Alex Jones, Ines Camacho und Richard Clarke vom National Physical Laboratory (NPL) stellten sie fest, dass das neue System genauso wie das ursprüngliche System immer noch grünes und rotes Licht nutzen konnte. Die spektroskopische Analyse am NPL ergab aber auch Hinweise auf eine unabhängige Blaulichterkennung.

Co-Autor Roberto Hofmann bemerkte, dass CcaS zusätzlich zur Rot-Grün-Sensordomäne über eine zweite Domäne verfügt, die Homologie zu Blaulicht-Photosensoren aufweist, die als Phototropine bezeichnet werden. Es scheint, dass Highlighter ein latentes CcaS-Blau-Erkennungsverhalten freigeschaltet hat und eine alternative Möglichkeit zur Steuerung der CcaS-CcaR-Aktivität bietet.