In vivo Analyse pflanzlicher Entwicklungsprozesse

Die Entwicklungsbiologie untersucht, wie molekulare und zelluläre Prozesse zur Herausbildung 3-dimensionaler, komplexer Organe und Organismen führen. Unsere entwicklungsbiologischen Arbeiten setzen sehr stark auf NMR-Imaging als vielseitiges, analytisches Werkzeug (Borisjuk: The inner life of seed: from seeing to understanding, Habilitationsarbeit, Leibniz Universität Hannover/Deutschland 2017). Nuclear Magnetic Resonance Imaging (MRI) arbeitet nicht-invasiv, und kann daher vielfältige, physiologische Prozesse in vivo beobachten. Mittels MRI kann man z.B. das Embryowachstum innerhalb des Samens über längere Zeiträume hinweg untersuchen und dabei verschiedene Parameter wie Größe, Form, Inhaltsstoffe etc. registrieren (Borisjuk et al., Plant J. 2012). Wir haben Methoden entwickelt, um die Blüten- und Samenentwicklung einschließlich spezieller, innerer Stukturen zu verfolgen. Dieser Ansatz wird unterstützt durch z.B. FTIR-basierte Imagingverfahren, welche die Struktur und chemische Zusammensetzung mit nahezu zellulärer, räumlicher Auflösung wiedergeben (Gündel et al., Plant Physiology 2018).

 

In neueren Arbeiten konnten wir mittels NMR/MRI die Wiedererweckung des Lebens in keimenden Samen beobachten (Munz et al., New Phytologist 2017). Ein holistischer, experimenteller Ansatz erlaubte uns die raumzeitliche Dynamik von Wasseraufnahme, metabolischer Aktivität und strukturellen Änderungen zu untersuchen. So wurde erstmals eine sogenannte „endospermal lipid gap” identifiziert, welche den Wasserzustrom zum Embryo kanalisiert und direkt zur Wurzelspitze leitet. Von hier aus wird das Wasser über das „erwachende“ vaskuläre System des Embryos in Richtung Keimblätter weiter geleitet. Die Wiederaufnahme von Respiration, Zuckermetabolismus und Lipidmobilisierung sind klar mit der raumzeitlichen Sequenz der „Gewebebewässerung“ verbunden.

 

 

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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