Dokumentation der Entwicklung der Pflanzenorgane

Bei lebenden Organismen ist die Entwicklung eine Kombination mehrerer koordinierter Prozesse, die im Verlauf des Wachstums zeitlich und räumlich zusammenwirken. Ein falscher Ton in der zarten Symphonie kann katastrophale Folgen haben. Die genaue Partitur dieser biologischen Musik ist Wissenschaftlern jedoch oft ein Rätsel. Eine Lösung besteht darin, fortschrittliche Mikroskopietechniken einzusetzen, um das Organwachstum in Echtzeit zu beobachten. Die Herausforderung besteht darin, dass solche Ansätze für eine Langzeitüberwachung schlecht geeignet sind. Darüber hinaus können sie Organe belasten und die Entwicklung stören.

Um dieses Problem anzugehen, haben INRAE-Forscher eine einzigartige Methode entwickelt, die sie auf Pflanzen angewendet haben. Zunächst fotografieren die Wissenschaftler anhand zahlreicher Einzelpflanzen Blätter, die die Bandbreite der Entwicklungsstadien repräsentieren. Durch die Anwendung gezielter Algorithmen auf diesen Fotokatalog ist es möglich, jedem ein Alter zuzuordnen Blatt und die zeitliche Entwicklung rekonstruieren. Um ihnen bei dieser Aufgabe zu helfen, nutzen die Forscher ein Open-Source-Softwareprogramm – MorphoLeaf – das sie 2016 in Zusammenarbeit mit ENS de Lyon entwickelt haben.

Im nächsten Schritt sollte mit der Methode die Blattentwicklung an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana umfassend dokumentiert werden. Über einen Zeitraum von mehreren Wochen sammelten Wissenschaftler Blätter von Hunderten von Wildtypen und mutierte Stämme; letzteres hatte genetische Veränderungen, die sich auswirkten Blattform. Ein Hauptvorteil dieser Methode ist ihre einfache Implementierung: Sie erfordert keine komplizierte Ausrüstung. Tatsächlich wurde ein Standardmikroskop verwendet, um Bilder der früheren Entwicklungsstadien (Blattgröße < 0.1 mm) aufzunehmen, und ein Flachbettscanner wurde für die späteren Entwicklungsstadien (Blattgröße > 1 cm) verwendet.

https://www.youtube.com/embed/UU2YahNiTpI?color=whiteReconstructing the complete story of leaf development. Credit: INRAE – Jasmine Burguet

Die Bilder erzählten eine genaue Geschichte der Blattentwicklung und verdeutlichten Schlüsselpunkte in Raum und Zeit, die einen großen Beitrag zur Entwicklung im Allgemeinen leisten. Insbesondere zeigte die Analyse, dass Wildtyp- und Mutantenpflanzen möglicherweise identische frühe Entwicklungsverläufe aufweisen, die dann in bestimmten späteren Stadien voneinander abweichen.

Dieses detaillierte Verständnis der Pflanzenentwicklung kann zukünftige Strategien zur Optimierung des Pflanzenwachstums informieren. Der Ansatz der Forscher ist äußerst flexibel und kann an jeden Organtyp angepasst werden, auch an Tieren. Es könnte sich also um eine wertvolles Werkzeug in Studien, die darauf abzielen, Organe und Organismen zu entmystifizieren entwicklung.

Die Studie ist veröffentlicht in der Zeitschrift Quantitative Pflanzenbiologie.