Firefly-Protein ermöglicht die Visualisierung von Wurzeln im Boden

Firefly-Protein ermöglicht die Visualisierung von Wurzeln im Boden

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Anonim

von Carnegie Institution for Science

Arabidopsis thaliana, zusammen mit einem auf Lumineszenz basierenden Bild des Wurzelsystems derselben Pflanze.

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Pflanzen bilden ein riesiges Netzwerk von unterirdischen Wurzeln, die den Boden nach benötigten Ressourcen absuchen. Die Struktur und Funktion dieses Wurzelnetzwerks kann in hohem Maße an bestimmte Umgebungen wie Wüstenböden angepasst werden, in denen Pflanzen wie Mesquite Hahnwurzeln entwickeln, die in der Lage sind, 50 Meter tief zu graben, um wertvolle Wasserressourcen zu gewinnen. Das Ausgraben von Wurzelsystemen zeigt diese Art von Anpassungen, ist jedoch mühsam, zeitaufwendig und liefert keine Informationen über das Verhalten wachsender Wurzeln.

Ein neues Bildgebungsinstrument von einem Team um José Dinneny von Carnegie ermöglicht es Forschern, das dynamische Wachstum von Wurzelsystemen im Boden zu untersuchen und die molekularen Signalwege aufzudecken, die dieses Wachstum steuern. Ihre ersten Erkenntnisse mit diesem neuen System werden von eLife veröffentlicht .

Trotz ihrer Bedeutung bleiben Wurzeln einer der mysteriösesten Teile der Pflanze. Sie können nicht leicht untersucht werden, da sie im Boden verborgen wachsen. Das meiste, was Wissenschaftler heute über Wurzeln wissen, kommt davon, Wurzeln auszugraben oder sie in transparenten Medien zu züchten, die ihre natürliche Umgebung nicht widerspiegeln.

"Um die komplexen Wachstumsmuster und Funktionen der Wurzeln zu visualisieren, mussten wir einen anderen Ansatz entwickeln", erklärte Dinneny. "Wir waren uns sehr bewusst, dass die Methode es uns ermöglichen musste, die Bedingungen zu variieren, um Wurzeln mit unterschiedlichen Kombinationen von Umweltbedingungen zu präsentieren, die wichtige Belastungen wie Dürre oder Boden mit geringer Fruchtbarkeit simulieren."

Das Bildgebungssystem des Teams heißt GLO-Roots (für Growth and Luminescence Observatory for Roots). Es ist eine integrierte Plattform für das Züchten von Pflanzen im Boden in speziell angefertigten Gefäßen, das Abbilden von Wurzeln mithilfe von Biolumineszenz und das Analysieren des Wurzelwachstums, der Architektur und der Genexpression mithilfe einer Software, die in Zusammenarbeit mit Guillaume Lobet von der Universität Lüttich entwickelt wurde.

Das GLO-Roots-System umfasste die Gentechnik von Pflanzen zur Herstellung eines Enzyms aus Glühwürmchen namens Luciferase, das sie im Dunkeln des Bodens leuchten lässt. Lichtempfindliche Kameras erfassen dann das von den Wurzeln emittierte Licht und ermöglichen es den Forschern, zwischen den Wurzeln und dem umgebenden Boden zu unterscheiden. Unter Verwendung mehrerer genetisch codierter Luciferasen, von denen jede Licht einer anderen Wellenlänge aussendet, konnte das Team gleichzeitig die gesamte Wurzelsystemarchitektur und die Genexpression adulter Pflanzen verfolgen.

"Wurzeln wachsen durch einen Pfadfindungsprozess, ähnlich wie Neuronen, und müssen Entscheidungen darüber treffen, in welche Richtung sie wachsen und wann sie sich verzweigen sollen. Dies wird stark von der Bodenqualität und dem Standort von Wasser und Nährstoffen beeinflusst. Unsere Fähigkeit, die Genexpression mithilfe von GLO- Roots ist ein Game Changer, der es ermöglichen wird, die molekularen Ereignisse zu verstehen, die diese Entscheidungen ermöglichen ", erklärte Dinneny.

Das Labor von Dinneny verwendete GLO-Roots, um die Reaktion von Wurzeln auf Umweltbelastungen zu untersuchen, die für eine nachhaltige Landwirtschaft relevant sind. Wenn Sie verstehen, wie sich die Wurzelarchitektur durch Umgebungsbedingungen und Stress verändert, können Sie den Wissenschaftlern beibringen, wie sich Pflanzen an ihre Umgebung anpassen und welche genetischen und biochemischen Aktivitäten diesen Anpassungsprozessen zugrunde liegen.

Die Ergebnisse des Teams können besonders wichtig sein, um zu verstehen, wie Pflanzen während Dürren überleben. Das GLO-Roots-System ermöglichte es Dinneny und seinem Team, die Wachstumsrate und -richtung von Dutzenden von Wurzelspitzen gleichzeitig zu verfolgen und diese mit der Menge an Wasser in Beziehung zu setzen, die sich im Boden um die Wurzeln befindet. Rubén Réllan-Álvarez, der leitende Postdoktorand des Projekts und derzeitige Assistenzprofessor bei Langebio, Cinvestav in Irapuato, Mexiko, stellte fest, dass durch die simulierte Dürre Wurzeln tiefer in die Bodensäule hineinwuchsen, was vermutlich den Zugang zu unerschlossenen Wasserressourcen ermöglichte.

"Dieses Projekt vereint zwei historische Stärken von Carnegie Science: die Entwicklung fortschrittlicher Bildgebungsplattformen und das Verständnis der Anpassung von Pflanzen an ihre Umgebung. Unsere Studie zeigt, dass Wurzeln mehrere Tricks haben, die eine effiziente Rückgewinnung von Wasser aus ihrer Umgebung ermöglichen", sagte Réllan-Álvarez.

Das GLO-Roots-System wird die Charakterisierung genetischer Pfade ermöglichen, die eine effiziente Erforschung der Bodenumgebung ermöglichen, was für die Festlegung von Strategien für eine nachhaltige und dürretolerante Landwirtschaft relevant sein kann.