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Das geheime Leben der Pflanzen

XTRA-ARTIKEL AUSGABE 2/2017

Der Einsatz von Flowzytometrie ermöglicht die genaue und schnelle Analyse des DNA-Gehalts von Pflanzen und hilft dabei, sie etwa als Nahrungsmittel weiterzuentwickeln.

Dr. Jörg Fuchs, Forscher in der Abteilung Züchtungsforschung, zwischen Referenzpflanzen im Gewächshaus des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung.
(Foto: Michael Rathmayr)

Jeden Morgen fährt Dr. Jörg Fuchs 25 Kilometer mit seinem Fahrrad über Felder und Wiesen von Halberstadt nach Gatersleben in Sachsen-Anhalt. Vorbei an Mais im Frühling, wenn er noch klein ist und gerade seine Spitzen aus der Erde ragen. Entlang an Weizenfeldern im Sommer, die auf die großen Mähmaschinen warten. Und schließlich im Herbst durch weite Landschaften, die von erfolgreicher Ernte erzählen. Nach einer Stunde Arbeitsweg kommt er in seinem Labor an – um dort tief in die Geheimnisse der Pflanzenwelt einzutauchen. Am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) arbeitet Dr. Fuchs in der Abteilung Züchtungsforschung. Hier unter dem Dach eines historischen Gebäudes schaut er Pflanzen in die Zellen: Er untersucht die Chromosomenbiologie von Getreide und anderen Nutzpflanzen oder erforscht die Genomgrößen von fleischfressenden Pflanzen – stets im Dienst der Wissenschaft, manch mal auch zugunsten von auswärtigen Züchtungseinrichtungen. „Aber nur, wenn es für uns auch spannend ist“, erklärt Dr. Fuchs, der am IPK seit 2003 arbeitet und das Institut schon aus seiner Studienzeit kannte. 1992 forschte er hier für seine Doktorarbeit zum Thema Chromosomenpainting. „Während meiner Promotionszeit wurde in Gatersleben das erste Flowzytometer gekauft. Ich habe darüber promoviert, wie innerhalb eines pflanzlichen Chromosomensatzes ein einzelnes Chromosom mit Fluoreszenz zum Leuchten gebracht werden kann“, erzählt Dr. Fuchs stolz.

Rasierklingen für Einblicke

Das IPK erstreckt sich fast über den halben, gerade einmal 2.000 Einwohner zählenden Ort. Weitläufige Wiesen, gesäumt von Blumenbeeten, reichen an flache, zweistöckige Institutsgebäude. Nichts deutet von außen darauf hin, dass hier 500 Mitarbeiter in einem der international bedeutendsten Zentren der Pflanzenforschung arbeiten. Mit der Erhaltung, Erforschung und Nutzung der Kulturpflanzenbiodiversität tragen die Forscher zur Bewältigung globaler umweltbezogener Zukunftsaufgaben bei – etwa der Sicherung der Nahrungsmittelversorgung durch robuste und variantenreiche Nutzpflanzen. Auch die Versorgung mit nachwachsenden Roh- und Wertstoffen ist Forschungsthema am IPK. Mehrere Flowzytometer stehen im Raum verteilt, die je nach Bedarf gestartet werden. Dr. Fuchs beginnt mit routinierten Bewegungen in einer Petrischale ein Blatt zu zerhacken. „Ich nehme dafür am liebsten handelsübliche Rasierklingen“, verrät er, „denn die fürs Labor angebotenen zerdrücken die Zellen vielmehr, als dass sie ihre Zellkerne freisetzen.“ Was der Wissenschaftler nun startet, ist eine Ploidie-Analyse, die zu den Standardanwendungen auf dem Gebiet der pflanzlichen Flowzytometrie gehört. Diese DNA-Analyse ermöglicht die Bestimmung des Ploidiegrades von Pflanzen schon in einer frühen Entwicklungsphase.

Wissenschaftlich spannend –
die Karnivoren der Gattung Genlisea.

(Foto: Michael Rathmayr)

Gewünscht: Haploide Pflanzen

„Züchter sind grundsätzlich daran interessiert, Haploide, also Pflanzen mit nur einer einzigen Kopie des Genoms, zu erzeugen“, erklärt Fuchs. „Dieses kann später wieder verdoppelt werden, um doppelhaploide Pflanzen zu erhalten.“ Im Gegensatz zu einer diploiden Pflanze, bei der die Chromosomensätze je von Mutter und Vater kommen, haben doppelhaploide Pflanzen genau die gleichen Eigenschaften und Mutationen von nur einer Eltern-Pflanze. „Pflanzenzüchter wünschen sich genetisch stabile Linien. Doppelhaploide Pflanzen garantieren das.“Um an die nötigen Informationen zu kommen, öffnet Dr. Fuchs durch feines Zerhacken der Pflanzenteile die Zellen in einem sogenannten Extraktionspuffer, dem ein DNA-Färbe reagenz zugesetzt ist, und filtert später den Inhalt der Pflanzenzellen heraus. „Die Suspension enthält alle möglichen Bestandteile einer Pflanzenzelle, zum Beispiel Zellkerne, Chloroplasten, Mitochondrien, aber auch sekundäre Metabolite“, erläutert Dr. Fuchs. Die Zugabe von Antioxidantien sowie die Aufbereitung im Eisbad können den unerwünschten Einfluss solcher Substanzen auf das Ergebnis der Ploidie-Analyse vermindern. In den Anfängen der Flowzytometrie bei Pflanzen war ein aufwendiger Prozess notwendig, um über das enzymatische Auflösen der Zellwände, die sogenannte Protoplastenisolierung, Zellkernsuspensionen zu erzeugen. Mit dem Rasierklingen-Trick und dem CyFlow® Ploidie Analyser von Sysmex sind die nötigen Zellbestandteile und Informationen in nur wenigen Minuten verfügbar und eine schnelle flowzytometrische Analyse ist möglich: Ist die Pflanze haploid, erscheint ein sogenannter Peak; ist der doppelte Chromosomensatz vorhanden, konnte doppelt so viel Farbstoff aufgenommen werden und der Peak befindet sich weiter rechts. Mehr Zeit nimmt die präzise Bestimmung der Genomgröße in Anspruch: Läuft die Messung zu schnell, steigt das Risiko, dass nicht alle Zellkerne mittig durch den Laserstrahl laufen. Das führt zu einer höheren Standardabweichung und somit zu einem breiteren Peak. „Schmale sind aber aus wissenschaftlicher Sicht wünschenswert.“

Der Laser des CyFlow®Ploidie Analyser.

Die einzelnen Proben werden im Vorfeld mithilfe von CellTrics® gefiltert (Fotos:Michael Rathmayr)

Überraschende Fleischfresser

Dr. Fuchs’ letzte Publikation in einem wissenschaftlichen Journal berichtete von den Forschungen seiner Gruppe über Karnivoren, fleischfressende Pflanzen. Einige kleine Töpfchen der Gattung Genlisea hat er in einer Ecke am Fenster stehen, unscheinbar und doch so interessant. „Die unterirdischen Blätter der Pflanze sind gedreht wie Korkenzieher, darüber nehmen sie Kleinstlebewesen auf“, erzählt der Flowzytometrie-Experte begeistert. „Das Interessanteste an diesen Pflanzen ist die enorme Genomgrößenschwankung zwischen den einzelnen Arten.“ Ziel der Untersuchung war herauszufinden, worin sich die Genome der Fleischfresserpflanze so drastisch unterscheiden. „Als interessanter Nebenaspekt hat sich gezeigt: Je größer das Genom ist, desto größer sind die Blätter der jeweiligen Art. Das kann man jedoch nicht verallgemeinern.“ Bei Wasserlinsen, an denen ebenfalls am Gaterslebener Institut geforscht wird, sei es genau andersrum – je größer die Blätter, desto kleiner das Genom. Dass nun aber diese Erkenntnisse unmittelbar der Züchtung neuer Nahrungspflanzen dienen, glaubt er nicht. „Wissenschaftlich interessant ist es trotzdem.“

Text Isabell Spilker

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