In vivo monitoring of development

Our studies promote NMR‐imaging as a versatile analytic tool for developmental biology, potent for in vivo study of the inner life of plants (Borisjuk Habilitation Thesis “The inner life of seed: from seeing to understanding”, Leibniz Universität Hannover/Germany 2017).

 

A major thrust of developmental biology is to understand how molecular and cellular processes produce 3D morphology. Nuclear Magnetic Resonance Imaging (MRI) has a great virtue in being non‐invasive and therefore has the potential to monitor physiological processes in vivo. In our hands, MRI is capable to capture the previously hidden growth/storage without seed destruction and thus allows us to monitor living seed (Borisjuk et al., Plant J. 2012). We prime MRI for non-invasive visualization and survey of flower/seed interior and apply high resolution chemical (FT IR) imaging to characterize structure and composition of tissues with close to cellular resolution (Gündel et al., Plant Physiology 2018).

The introduction of functional imaging on living seed enables us to display seed growth and to uncover intimate events of the awakening of life during germination (Munz et al., New Phytologist 2017). A holistic in vivo approach was designed to display the link between the entry and allocation of water, metabolic events and structural changes occurring during germination. We uncovered an endospermal lipid gap, which channels water to the radicle tip, from whence it is distributed via embryonic vasculature toward cotyledon tissues. The resumption of respiration, sugar metabolism and lipid utilization are linked to the spatiotemporal sequence of tissue rehydration.

 

Mechanosensing

Es ist nahezu unbekannt, ob und wie morphologische Änderungen des Embryos während der Entwicklung den embryonalen Stoffwechsel beeinflussen. So könnte die Krümmung der Embryoachse bzw. der sich entwickelnden Keimblätter die lokalen Wachstumsbedingungen ändern. Es ist unklar, wie der Prozess der embryonalen Formbildung wahrgenommen und in entsprechende metabolische Signale übersetzt wird. Die hierbei beteiligten Prozesse – bezeichnet als mechanosensing und proprioception – werden in laufenden DFG-Projekten am Rapsmodell untersucht. Insbesondere suchen wir nach Mechanismen, wie der wachsende Embryo seine Form und Größe an den verfügbaren Raum (begrenzt durch die Samenschale) anpasst, und wie sich dies in seinem Stoffwechsel reflektiert.

 

Weitere Modelle, in denen wir Entwicklungsprozesse beschreiben, sind Gerste, Mais, Erbse, und Arabidopsis (Kovalchuk et al., New Phytologist 2016; Radchuk et al., 2018; Lappe et al., PNAS 2018). Darüber hinaus werden o.g. Forschungsansätze und Methoden im Rahmen von Kooperationen mit Züchtern eingesetzt (Raps, Weizen).

 

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