Multimodal imaging unveils the hidden dimensions of plant physiology

from metabolic landscapes to mechanistic insights

verfasst von

André Gündel

betreut von

Hans-Peter Braun

Abstract

Bilder sagen mehr als tausend Worte. Die Einführung von Mikroskopen in der Geschichte der Naturwissenschaften eröffnete Einblicke in neue Dimensionen. Modernere bildgebende Verfahren wie Infrarot (IR) und Kernspinresonanz (NMR) ermöglichen es uns, die Grenzen des Sichtbaren noch weiter zu verschieben. Zusätzlich erweitern Computertools die Analyse komplexer Bilddaten. In dieser Dissertation beschreibe ich meine Arbeit an dekonvolutionellem Data Mining in Kapitel 2.1, um die Bildgebung mehrerer Metabolite mit einer einzigen Plattform, der Infrarotbildgebung, zu ermöglichen. Diese Strategie ermöglicht es, die Assimilatverteilung wichtiger Transport- und Speicherverbindungen zu verstehen und bietet einen Fahrplan für die quantitative Analyse solcher IR-Bilder. Das Zusammenspiel von Physik und Chemie insbesondere in biologischen Systemen stellt eine besondere Herausforderung dar, sowohl für die Erfassung als auch für die Interpretation resultierender Daten. Pflanzen sind komplexer als man denkt. Sie bestehen aus einem Mosaik an Geweben und jedes leistet seinen spezifischen Beitrag zur Gesamtfunktion der Pflanze. Gewebe beherbergen verschiedene Zelltypen und erfüllen unterschiedlichste Funktionen, egal ob tot oder lebendig. Imaging ist unverzichtbar, um die Verteilungsvielfalt von Stoffen innerhalb dieser aufzuklären. Durch destruktive Beprobung, die oft sensitivere und selektivere Analytnachweise erlaubt, gehen häufig topografische Beziehungen verloren. Kapitel 2.2 zeigt, wie solche Daten wieder in einen topografischen Kontext gesetzt werden können. Diese Fallstudie zeigt, wie Exsudate mithilfe eines multimodalen Ansatzes aus Massenspektroskopie und IR-Bildgebung zu ihren ursprünglichen Geweberegionen zurückverfolgt werden können, um Einblicke in ihre Funktionen zu erhalten. Die computergestützte Modellierung der Pflanzenphysiologie kann Einblicke in die Chemie der Zellwände liefern und Schlussfolgerungen hinsichtlich der mechanischen Stabilität der Internodien in Gräsern gegen externe mechanische Einflüsse erbringen (Kapitel 2.3). Durch die Integration eines mechanischen Modells der Gefäßstruktur mit ihrer Chemie beleuchtet diese Arbeit die Komplexität des Aufbaus struktureller Ressourcen und verknüpft ihre genetische Regulierung durch KASP-Marker mit nachvollziehbaren spektralen Eigenschaften und physikalischen Reaktionen. Letztendlich wollen wir wissen, wie Assimilate dorthin gelangen, wo sie hinsollen. Der letzte Abschnitt des Assimilat Weges wird durch das maternal-filiale Übergangsgewebe zwischen Phloem und Endosperm geregelt. Seine Rolle in der Metabolitübertragung wird hier anhand zweier wichtiger Aspekte beleuchtet. Erstens geht es um die Doppelrolle des wichtigen Saccharosetransporters SWEET11b bei der Zuteilung von Zuckern und Zytokinin in Gerstenkörnern (Kapitel 2.4). Die chemische Bildgebung machte einen Gradienten in der Zytokininverteilung sichtbar und bewies dessen topografischen Zusammenhang mit Saccharosetransport während der Samenfüllung. Zweitens sind der programmierte Zelltod und vakuoläre Verarbeitungsenzyme (VPE2) an der Assimilatfreisetzung aus der nuzellaren Projektion in das flüssige Endosperm beteiligt (Kapitel 2.5). Eine detaillierte Analyse von Mutanten und Transgenen hilft dabei, regulatorische Mechanismen zu identifizieren. Diese Studien zeigen die Leistungsfähigkeit fortschrittlicher Bildgebungsverfahren, die Geheimnisse der Pflanzenentwicklung zu entschlüsseln (Kapitel 2.6). Es zeigt sich das Veränderungen im Samen weitreichende Folgen in der gesamten Pflanze nach sich ziehen (Kapitel 3.1). Diese Entdeckung unterstreicht die Notwendigkeit, lokale Veränderungen im globalen Rahmen der internen Pflanzenfunktion zu untersuchen. Solche Strategien werden es uns ermöglichen, regulatorische Reaktionen an unvorhergesehenen Orten zu identifizieren und unser Verständnis der beteiligten Mechanismen zu verbessern, die das Sink-Source-Zusammenspiel steuern.

Organisationseinheit(en)

Institut für Pflanzengenetik

Typ

Dissertation

Anzahl der Seiten

241

Publikationsdatum

2023

Publikationsstatus

Veröffentlicht

Elektronische Version(en)

https://doi.org/10.15488/15807 (Zugang: Offen)