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Stoffwechseländerungen in Pflanzen live erleben: Forscher nutzen neues Verfahren der "in-vivo-Biosensorik"

Junger Keimling der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) der in seinen Zellen den fluoreszenten Biosensor trägt.
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). Plant Energy Biology Lab/Janina Steinbeck

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 der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) unter Beteiligung der Universität Bonn Schlüsselmechanismen der Regulation des Energiestoffwechsels. Das neue Verfahren der "in-vivo-Biosensorik" erlaubt es ihnen nun erstmals, in Echtzeit zu verfolgen, wie sich Umweltveränderungen auf den zentralen Stoffwechsel in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, der Ackerschmalwand, auswirken.

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 nun 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. Die Studie ist als Vorab-Publikation in der Fachzeitschrift „The Plant Cell“ erschienen.

Hintergrund und Methodik

Das Forscherteam hat einen genetisch-codierten Sensor in die Pflanzen eingebaut, um zentrale Stoffwechselprozesse im wahrsten Sinne des Wortes ‚sichtbar‘ zu machen. „Da Pflanzen äußerlich sehr statisch wirken, müssen sie innerhalb ihrer Zellen Meister der Flexibilität und Anpassung sein - und zwar blitzschnell. Diese Dynamik können wir nun live in der lebenden Pflanze beobachten“, sagt Dr. Janina Steinbeck, Erstautorin der Studie. 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. Ursprünglich wurde der nun verwendete Biosensor für den Einsatz in Nervenzellen entwickelt. Die Wissenschaftler haben diesen Sensor für den Einsatz in der Pflanze weiterentwickelt.

Der Sensor kann die Moleküle NAD⁺ und NADH direkt binden und wieder abgeben. Das sogenannte NAD-Redox-System ist für die Elektronenübertragung im Stoffwechsel fast aller Lebewesen von zentraler Bedeutung. Der Sensor besteht aus einem blaugrünen und einem rot fluoreszierenden Protein, die je nach NAD-Status in der Zelle ihre Helligkeit ändern. Das Auslesen der Sensoren in lebenden Zellen erfolgt über ein konfokales Laser-Scanning-Mikroskop. „Für uns ist dieses neue Verfahren eine methodische Errungenschaft, denn wir erhalten erstmals ein direktes Verständnis von Stoffwechselprozessen exakt dort wo sie in der Zelle passieren. Beispielsweise kam die Beobachtung, dass sich ein so zentraler Prozess wie der NAD-Stoffwechsel bei der Immunreaktion tiefgreifend verändert, für uns völlig unerwartet“, erläutert Prof. Dr. Markus Schwarzländer, Leiter der Arbeitsgruppe "Plant Energy Biology" der WWU.

Bislang war es lediglich möglich, diese Art von Stoffwechselprozessen zu untersuchen, indem die Wissenschaftler Extrakte von den Pflanzen gewonnen haben, um sie mit biochemischen Methoden zu analysieren. Hierbei werden jedoch Zellen und Gewebe zerstört. Zudem ist es nicht mehr nachvollziehbar, wo genau sich die Stoffwechselveränderungen vollzogen haben. Jetzt können die Forscher dynamische Änderungen des Redoxstoffwechsels, der unter anderem der Energie-Bereitstellung in den Zellen dient, in den einzelnen Zellen bis hin zu ganzen Organen von intakt lebenden Pflanzen verfolgen. Dieses Vorgehen ermöglichte es, eine erste NAD-Redox-Landkarte der ganzen Pflanze zu erstellen sowie Redox-Dynamiken bei Licht-Dunkel-Übergängen, Veränderungen des Zuckerstatus', der Zellatmung und der Sauerstoffzufuhr zu beobachten.

Fast zeitgleich mit der Veröffentlichung in The Plant Cell erschien eine Studie von Forschern aus Hongkong in der Zeitschrift Nature Communications. Dort wurde ein anderer Sensor für NAD in Pflanzen eingebaut und zur Untersuchung der Photosynthese verwendet. Die Ergebnisse der beiden Studien stützen sich gegenseitig. „Die Informationen, die wir durch das neue Verfahren gewonnen haben, können 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“, unterstreicht Markus Schwarzländer.

WWU


Originalpublikation:

Steinbeck J, Fuchs P, Negroni YL, Elsässer M, Lichtenauer S, Stockdreher Y, Feitosa-Araujo E, Niemeier JO, Kroll JB, Humberg C, Smith E, Mai M, Nunes-Nesi A, Meyer AJ, Zottini M, Morgan B, Wagner S, Schwarzländer M (2020). In Vivo NADH/NAD+ Biosensing Reveals the Dynamics of Cytosolic Redox Metabolism in Plants. Plant Cell DOI: 10.1105/tpc.20.00241

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