Zuckerrüben im MRT

Die Forschenden wollen deshalb nicht nur zur Sicherung bestehender Ernten, sondern auch für eine mögliche Optimierung herausfinden, was den Zuckerstoffwechsel der Rübe steuert und die Pflanze über die Zeit verändert – um vielleicht zu entdecken, wie man die Rübe in frostigen Zeiten schützen kann.

Zusammenspiel von Genotyp und Phänotyp

Für Pflanzenforscher oder -züchter ist neben den genetischen Informationen einer Pflanze der sogenannte Phänotyp entscheidend, also das Erscheinungsbild samt aller Merkmale wie Geometrie, Wachstum und Ertrag. Der Genotyp einer Pflanze wird durch ihr Genmaterial charakterisiert. Der Phänotyp hingegen entwickelt sich über die Zeit hinweg aus dem Zusammenspiel von genetischen Eigenschaften und äußeren Umweltfaktoren wie Wetter oder Bodenbeschaffenheit: Erfährt eine Pflanze Stress, entwickelt sie einen anderen Phänotyp, als wenn sie immer gut versorgt ist. So gedeiht eine Pflanze je nach Temperatur oder Wasserangebot mehr oder weniger gut.

„Die genotypische Ausstattung ist im Prinzip der Handwerkskasten, den die Pflanze dabeihat, wenn sie draußen auf die Welt trifft und ihren Phänotyp ausbildet“, erklärt Ulrich Schurr, Institutsleiter für Bio- und Geowissenschaften am Forschungszentrum Jülich. „Züchter kombinieren Phänotypen mit Genotypen, um vererbbare Eigenschaften zu identifizieren, also um Pflanzen mit zum Beispiel besonders hohem Zuckergehalt, viel Fotosynthese und Wachstum oder großer Durchwurzelungstiefe aufgrund besonders vorteilhafter genetischer Ausstattung zu züchten“, erläutert Schurr. Gene lassen sich dabei schnell sequenzieren. Der Phänotyp hingegen muss in seiner zeitlichen Dynamik erfasst werden.

In der modernen Phänotypisierung, bei der das Erscheinungsbild von Pflanzen quantitativ vermessen wird, erfassen Forschende beispielsweise die Wurzel-Architektur oder die Anzahl und Ausrichtung der Blätter. Noch vor 20 Jahren beschrieb die Phänotypisierung nur wenige einfache Parameter. Mit der rasanten Technologieentwicklung lassen sich heute jedoch viele komplexe Parameter in kurzer Zeit bestimmen. Roboter, Drohnen und Satelliten scannen dafür Anbaugebiete, und auf dem Feld kann der Bauer selbst mit dem Handy Wärmebilder erzeugen und dank LIDAR-Technologie die Pflanzen und ihre Umgebung vermessen. Sogar aus dem All lassen sich Ernten mit multispektralen Daten analysieren bis hin zur Vorhersage von Erträgen.

Merkmale von Kältestress nicht erfassbar

Keine dieser Methoden war jedoch geeignet, Isabel Keller und ihren Kollegen bei ihrer Suche nach Merkmalen zu helfen, die das Erscheinungsbild der Zuckerrübe unter Kältestress bestimmen. Es war auch keine Option, auf klassische Weise jeweils andere Rüben zu verschiedenen Zeitpunkten aufzuschneiden und unter dem Mikroskop zu analysieren. Denn die einzelnen Pflanzen sind zu verschieden. „Das Problem ist die hohe Varianz in Form und Struktur zwischen einzelnen Zuckerrüben. Da ist es sehr schwierig, allgemeingültige Muster und Beobachtungen abzuleiten“, erklärt Keller. „Rübe ist nicht gleich Rübe.“

Die Lösung war ein 3D-Scan eines Magnetresonanztomografen (MRT). Mit seiner Hilfe kann man in dieselbe Rübe immer wieder hineinblicken, die Veränderung ihrer Form und Struktur im Zeitverlauf analysieren und daraus Rückschlüsse auf den Zuckerstoffwechsel ziehen.

Transportumkehr des Zuckers bei Kälte

Seit das Genom der Zuckerrübe 2014 entschlüsselt wurde, hat sich Benjamin Pommerrenig viele Jahre mit ihrem Stoffwechsel beschäftigt. „Man muss den Weg des Zuckers in der Rübe verstehen und wo er überhaupt synthetisiert wird“, erklärt er. Grundsätzlich gilt: Zucker wird im grünen Blattgewebe durch Fotosynthese gebildet. Das Blattgewebe wird entsprechend als „Quelle“ bezeichnet. Der Zucker gelangt dann über Leitbahnen zum Speicherorgan Rübe, der „Senke“.

Nachdem das Forscherteam die Gene identifiziert hatte, die den Zuckertransport in der Rübe verantworten, erlebten sie eine große Überraschung: Bei niedrigen Temperaturen kommt es in der Zuckerrübe zu einer Transportumkehr des Zuckers, von der Wurzel hoch zu den Blättern. Noch nie zuvor wurde diese kälteabhängige Transportumkehr bei Zuckerrüben beobachtet. Doch dass es sie gibt, hat direkt weitere Fragen aufgeworfen. Nun wollten die Forschenden genau wissen, was nach einer Kälteperiode mit der Struktur und Form des Gewebes um das Speicherorgan und die Leitbahnen herum passiert.

MRT-Untersuchungen

Als Isabel Keller in Jülich alle Zuckerrüben fertig eingetopft hatte, chauffierte sie ihre Pflänzchen erst mal wieder zurück nach Kaiserslautern in die Kühlkammer. Dort wuchsen sie 16 Wochen lang bei vier Grad Celsius heran. Danach ging es erneut nach Jülich, zur ersten MRT-Untersuchung. Beim Deutschen Pflanzen-Phänotypisierungs-Netzwerk (DPPN) sind verschiedene Fachexpertisen gebündelt, und dort stehen Forschern Spezialgeräte wie das Pflanzen-MRT für Experimente zur Verfügung.

Keller übergab ihre Pflanzen an ein voll automatisiertes Phänotypisierungssystem, das unter der Aufsicht von DPPN-Experten steht. Der Physiker Daniel Pflugfelder hat das technische Know-how, er schrieb die MRT-Auswertungsprogramme und konfigurierte das Experiment. Der Biologe Robert Koller übernahm die wissenschaftliche Betreuung.

Nacheinander wurde jeder der inzwischen mit einem Barcode versehenen Töpfe von einem Roboterarm gegriffen und über einen Fahrstuhl zum hochkant im Raum stehenden MRT gefahren. Die Pflanzen wurden oben durch ein Loch eingeführt und senkrecht heruntergelassen. Nach der Messung ging es zurück in die Anzuchtkammer. 20 Stunden später waren alle 30 Rüben durchgescannt.

Die Anfänge mit Geräten aus der Medizin

Vor knapp 15 Jahren wurde im Forschungszentrum Jülich mit den ersten systematischen MRT- und Positronen-Emissions-Tomografie-Untersuchungen (PET) an Pflanzen begonnen. Ulrich Schurr und sein Team nutzten dafür Mitte der 2000er Jahre noch die Gerätschaften der benachbarten medizinischen Institute.

Beim MRT werden die Schichtaufnahmen mithilfe von Magnetfeldern und Radiowellen erzeugt. Für eine Positronen-Emissions-Tomografie wird dem zu untersuchenden Körper eine leicht radioaktiv markierte Substanz verabreicht. Anhand der Verteilung dieser Substanz im Körper können Stoffwechselvorgänge beobachtet werden.

Das Team um Ulrich Schurr begann mit Tomatenpflanzen, um zu erfahren, was man bei einem 3D-Scan sehen kann. Das MRT bildete die verzweigte Wurzelstruktur perfekt ab. Das PET-Bild zeigte dagegen viele verteilte Punkte, wo augenscheinlich Kohlenstoff abgelagert wurde. Durch die Überlagerung von MRT und PET zeigte sich, was diese „Punkte“ waren: Der Kohlenstoff aus der Fotosynthese lagerte sich vornehmlich in den Wurzelspitzen ab, die das schnellste Wachstum verzeichneten.

Um das Potenzial dieser neuen Technologien gezielt für die Pflanzenforschung zu erschließen, beschloss Schurrs Forschungsteam, eigene Systeme zu entwickeln – mit einer vertikalen Positionierung, weil hochwachsende Pflanzen ungern liegen. 2010 stand das erste vertikale Pflanzen-MRT in Jülich, und allmählich wuchs ein weltweit einmaliges Zentrum mit weiteren technischen Großgeräten heran.

Übrigens half der Dialog um Schurrs Tomatenforschung mithilfe von MRT auch seinen Jülicher Medizin-Kollegen, als sie Nervenverbindungen im menschlichen Gehirn untersuchen wollten. Denn Struktur und Konsistenz des Inneren einer Tomatenfrucht ähneln tatsächlich prinzipiell dem menschlichen Gehirn. Und Tomaten hatten den deutlichen Vorteil, leichter verfügbar zu sein und zur Messkontrolle ohne ethische Bedenken aufgeschnitten werden zu können.

Seit ihren Anfängen hat sich die moderne Pflanzen-Phänotypisierung rasant weiterentwickelt, Analysen, wie das Zuckerrüben-Experiment von Keller und Pommerrenig, sind heute nur ein Anwendungsbereich von vielen.

Der Rückschlag

Die Zuckerrübenpflanzen aus der Pfalz wurden ab Start des Experiments wöchentlich im MRT analysiert und die Datensätze nach Kaiserslautern gemailt. Doch dann war plötzlich auf den MRT-Scans etwas zu erkennen, was dort nicht hingehörte. Daniel Pflugfelder meldete eine braune Verfärbung der Blätter und konsultierte Keller und Pommerrenig. In den darauffolgenden Scans war dann zu sehen, dass ein Krankheitserreger die Zuckerrüben befallen hat. Das Risiko eines solchen Befalls besteht überall und jederzeit – auch Forschungspflanzen sind davor nicht gefeit.

Im Laufe der nächsten Wochen fraß sich der Krankheitserreger immer weiter durch die Rüben. Keller und Pommerrenig waren enttäuscht. Der neue Blütenstand nach der Kälteperiode hatte sich noch nicht vollständig entwickelt, das Experiment war noch nicht abgeschlossen. Doch unter diesen Umständen blieb nur der Abbruch. Auch über so etwas muss gesprochen werden, findet Keller. So sei Wissenschaft nun mal.

Genmutationen für besseres Wachstum bei Kälte

Trotz allem ist durch das Experiment ein erster Datensatz über Phänotypen der Zuckerrübe während und nach Kältestress entstanden. „Besonders interessant ist der Vergleich von normalen Feldrüben mit bestimmten per Mutagenese veränderten Rüben“, erklärt Keller. Also mit Rüben, in denen Mutationen erzeugt wurden. „Die mutagenisierten Rüben stellen ein wichtiges Transportprotein nicht mehr her, das bei Kälte den Zuckertransport ins Blatt mitverantwortet. Diese Rüben verlieren weit weniger Volumen und wachsen besser bei Kälte.“ Diese Rüben sind zwar uninteressant für den Anbau, weil sie in der Frühentwicklung kleiner sind. Aber vielleicht kann die Pflanzenzüchtung einige ihrer phänotypischen Eigenschaften nutzen.

Keller resümiert: „Das Experiment hat gezeigt, wie mächtig die Phänotypisierung mit dieser nicht invasiven Methode ist. Wir können tatsächlich sehr schön das Wachstum über die Zeit vergleichen. Das wäre so mit den gängigen Methoden niemals möglich.“

Die Erfinder der für die Medizinforschung und Diagnostik entwickelten Technologien hätten sich wahrscheinlich nicht träumen lassen, welche Bedeutung ihre Geräte einmal auch für die Pflanzenforschung haben würden. //