Næsten alt liv på Jorden, især vores mad og vores sundhed, afhænger af stofskiftet i planter. For at forstå, hvordan disse metaboliske processer fungerer, studerer forskere ved Institut for Biologi og Bioteknologi af Planter ved Universitetet i Münster med deltagelse af Universitetet i Bonn nøglemekanismer i reguleringen af energimetabolisme. Nu har en ny metode til in vivo biosensorteknologi for første gang gjort det muligt for dem i re altid at overvåge, hvilke effekter miljøændringer - for eksempel lys, temperatur, tørhed, oversvømmelse eller skadedyrsangreb - har på modellens centrale stofskifte. plante Arabidopsis thaliana (thalkarse). Undersøgelsen er udkommet som en forhåndspublikation i tidsskriftet The Plant Cell.
Baggrund og metode
Forskerholdet udtrykte en genetisk kodet sensor inde i planterne for at gøre den centrale metaboliske proces bogstaveligt t alt 'synlig'. "Fordi planter udefra ser ud til at være meget statiske, skal de være superhurtige mestre af fleksibilitet og tilpasning i deres celler," siger Dr. Janina Steinbeck, hovedforfatter af undersøgelsen. "Vi er nu i stand til at observere denne dynamik live i den levende plante." For at måle den metaboliske proces i planten og producere billeder af den brugte forskerne in vivo biosensoring, en metode til at studere levende organismer, væv eller celler i re altid. Biosensoren består af et biologisk genkendelseselement, et protein, der specifikt binder et molekyle, der skal påvises, og et udlæsningselement, et protein, som omsætter bindingen til genkendelseselementet til et lyssignal. Den biosensor, der nu bruges, blev oprindeligt udviklet til brug i nerveceller. Forskerne forfinede denne sensor og udviklede den, så den kunne bruges i planter.
Sensoren kan binde direkte og derefter frigive molekylerne NAD+ og NADH. Det såkaldte NAD-redoxsystem er af afgørende betydning for elektronoverførsel under stofskiftet i næsten alt levende. Sensoren består af et fluorescerende blågrønt protein og et rødt, som begge ændrer deres lysstyrke afhængigt af NAD-status i cellen. Sensorudlæsningen i levende celler udføres med et moderne konfok alt laserscanningsmikroskop. Muligheden for at bruge NAD in vivo sensing i planter åbner nye muligheder for planteforskere. "For os er denne nye metode en bedrift med hensyn til metoden, fordi vi nu kan få en direkte forståelse af metaboliske processer, præcis hvor de forekommer i planten," forklarer prof. Markus Schwarzländer, der leder arbejdsgruppen for planteenergibiologi på universitetet. af Münster."For eksempel var det en komplet overraskelse for os at observere, at en sådan nøgleproces som NAD-metabolisme ændrer sig så fundament alt under en immunreaktion," tilføjer han.
Hidtil havde det kun været muligt for forskerne at studere denne type stofskifteprocesser ved at skaffe ekstrakter fra planterne og analysere dem med biokemiske metoder. I denne tilgang bliver celler og væv imidlertid ødelagt, og det er ikke længere muligt at spore, hvor præcist de metaboliske ændringer er sket. Nu kan forskerne spore dynamiske ændringer i redoxmetabolismen - som blandt andet tjener til at give energi i cellerne - fra specifikke celle-rum, her i cytosolen, i de enkelte celler, op til komplette organer i intakte levende planter. Denne tilgang gør det muligt at lave et første NAD redoxkort over hele planten og at observere redoxdynamik i overgange fra lys til mørke samt ændringer i sukkerstatus, celleånding og iltforsyning."Som et resultat bliver det tydeligt, hvor direkte stofskifte og miljø er forbundet," siger Markus Schwarzländer. "Det, der var særligt spændende, var den nye forbindelse til immunresponset, som vi tidligere praktisk t alt ikke anede om, og som nu skal studeres mere i dybden."
På næsten samme tidspunkt med offentliggørelsen i The Plant Cell blev en undersøgelse foretaget af forskere i Hong Kong offentliggjort i Nature Communications. I denne undersøgelse blev en anden sensor for NAD udtrykt inde i planter og brugt til at studere fotosyntese. Resultaterne af begge undersøgelser understøtter hinanden. "Informationen opnået gennem den nye metode kan spille en nøglerolle i fremtiden i at dyrke planter, som gør vores fødevareproduktion mere bæredygtig og bidrager til at afhjælpe virkningerne af klimaændringer. En direkte tidlig erkendelse af stress i landbrugsafgrøder kan også være mulig," siger Schwarzländer med henblik på fremtiden.
