Stoffwechseländerungen

Stoffwechseländerungen in Pflanzen live erleben

Vom Stoffwechsel in Pflanzen hängt nicht nur fast alles Leben auf der Erde, sondern hängen auch unsere Ernährung und unsere Gesundheit ab. Um zu verstehen, wie diese Stoffwechselprozesse in Pflanzen funktionieren, untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) unter Beteiligung der Universität Bonn Schlüsselmechanismen der Regulation des Energiestoffwechsels. Das neue Verfahren der „in-vivo-Biosensorik“, also an der lebenden Pflanze, erlaubt es ihnen jetzt erstmals, in Echtzeit zu verfolgen, wie sich Umweltveränderungen, zum Beispiel Licht, Temperatur, Trockenheit, Überflutung oder Schädlingsbefall, auf den zentralen Stoffwechsel in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, der Ackerschmalwand, auswirken. Das Forscherteam hat einen genetisch-codierten Sensor in die Pflanzen eingebaut, um zentrale Stoffwechselprozesse im wahrsten Sinne des Wortes ‚sichtbar‘ zu machen. Für die bildliche Darstellung und Messung des Stoffwechselprozesses in der Pflanze nutzten die Forscher die in-vivo-Biosensorik. Dabei handelt es sich um ein Verfahren, mit dem die Forscher in Echtzeit lebende Organismen, Gewebe oder Zellen untersuchen. Der Biosensor besteht zum einen aus einem biologischen Erkennungselement, einem Protein, das ein Molekül spezifisch bindet - zum anderen um ein Auslese-Element, einem Protein, das die Bindung am Erkennungselement in ein Lichtsignal übersetzt. Das Auslesen der Sensoren in lebenden Zellen erfolgt über ein konfokales Laser-Scanning-Mikroskop. Dieses neue Verfahren ist eine methodische Errungenschaft, mit deren Hilfe man erstmals ein direktes Verständnis von Stoffwechselprozessen exakt dort wo sie in der Zelle passieren erhält. Die Informationen, die man durch das neue Verfahren gewonnen hat, könnten zukünftig eine Schlüsselrolle bei der Züchtung von Pflanzen, die unsere Nahrungsmittelerzeugung nachhaltiger machen und dazu beitragen die Effekte des Klimawandels abzumildern, spielen. Aber auch die direkte Früherkennung von Stress bei Nutzpflanzen in der Landwirtschaft ist möglich. Bild: Junger Keimling der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) der in seinen Zellen den fluoreszenten Biosensor trägt. Die Falschfarbenabbildung stellt den Redoxzustand des NAD Pools in den Zellen und Geweben dar. Regenbogenskala von blau (oxidierter NAD Pool) bis rot (reduzierter NAD Pool). Copyright: Plant Energy Biology Lab/Janina Steinbeck.

DOI: https://doi.org/10.1105/tpc.20.00241

Termine

  • 07.12.2020 - 09.12.2020

    4th International Conference on Global Food Security
    Konferenz wird virtuell durchgeführt

  • 11.12.2020 - 15.12.2020

    11th World Biomaterials Congress
    Konferenz wird virtuell durchgeführt

  • 24.12.2020 - 25.12.2020

    International Conference on Computational Cell Biology
    Konferenz wird virtuell durchgeführt

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Während in der klassischen Mikroskopie die Zellen fixiert werden müssen, was Zerstörungen und Artefakte mit sich bringt, können mit Fluoreszenz-basierten Mikroskopiemethoden, z. B. der laser scanning-Mikroskopie, lebende Zellen viel realistischer beobachtet werden. Dabei wird der Erkenntnisgewinn enorm erweitert, da nicht nur eine exakte Lokalisation von spezifischen Proteinen oder Nukleinsäuren in der Zelle bestimmt werden kann, sondern auch deren Bewegungen und Interaktionen in einer intakten, lebenden Zelle. Durch die resolution Evolution, bei der die Auflösungsgrenze drastisch nach unten verschoben wurde, z. B. mit der stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM), können sogar einzelne Moleküle in lebenden Zellen erfasst werden. Jan Schlegel und Markus Sauer zeigen in ihrem Beitrag, wie man mit der 3D-Gitter-Lichtblatt-dStorm-Technologie die Verteilung des Adhäsionsrezeptors CD56 in der Plasmamembran visualisieren kann. Anne Schlaitz wendet die konfokale laser scanning-Methode an, um in lebenden Zellen die Dynamik des ERs während der Mitose zu erforschen. Tobias Becker und Pavel Kielkowski stellen in ihrem Artikel eine Pronukleotid-Sonde für das in situ fluorescence Imaging zur Identifizierung und Beobachtung von AMPylierten Proteinen vor. Hintergrundbild: Sich teilende HeLa-Zellen unter dem Lichtmikroskop. Chromosomen im Zellnukleus (lila), Mikrotubuli im Zellskelett (Tubulin, grün) und Aktin (rot) sind erkennbar. Bild: Kevin Mackenzie, University of Aberdeen, Wellcome Collection, https://wellcomecollection.org/works/vjq5c26rCC unter der Lizenz BY 4.0, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0.

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