Wie kryogene Mikroskopie zur Verbesserung der Ernährungssicherheit beitragen könnte

Wissenschaftler erstellen noch nie dagewesene Bilder

21.01.2025

Die Versalzung des Bodens kann Reisfelder beeinträchtigen (Symbolbild).

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Nach Angaben der Vereinten Nationen sind weltweit zwischen 20 und 40% der Ackerflächen von der Versalzung der Böden betroffen, wobei der Mensch und der Klimawandel - insbesondere der Anstieg des Meeresspiegels - weitgehend für diesen Prozess verantwortlich sind. Während der menschliche Körper Natrium benötigt, um zu funktionieren, ist dies bei den meisten Pflanzen nicht der Fall. Tatsächlich blockiert überschüssiges Salz um die Wurzeln der Pflanzen allmählich ihren Zugang zu Wasser, was ihr Wachstum hemmt, sie vergiftet und ihren Tod beschleunigt. Jedes Jahr werden zehn Millionen Hektar Ackerland durch die Versalzung des Bodens zerstört, was eine Bedrohung für die weltweite Ernährungssicherheit darstellt.

Wissenschaftler der EPFL, der Universität Lausanne (UNIL) und ihre spanischen Partner haben beobachtet, wie das im Jahr 2000 identifizierte Gen "Salt Overly Sensitive 1" (SOS1) die Pflanzenzellen vor Salz schützt. Das Team aus Biologen und Ingenieuren erstellte mit der Ionenmikrosonde CryoNanoSIMS (Cryo Nanoscale Secondary Ion Mass Spectrometry) noch nie dagewesene Bilder. Mit diesem weltweit einzigartigen Instrument für die Tieftemperaturmikroskopie konnten sie präzise Bilder davon erstellen, wo ein bestimmter Nährstoff in einer Zell- oder Gewebeprobe gelagert oder verwendet wird. Ihre Beobachtungen zeigen, dass der Ionentransporter SOS1 unter starkem Salzstress Natrium nicht mehr abtransportiert, sondern vielmehr dazu beiträgt, es in die Vakuolen genannten Strukturen innerhalb der Zellen zu laden. Ein besseres Verständnis dieses Mechanismus und die Klärung der Frage, warum manche Arten Natrium besser vertragen als andere, könnte es nach Ansicht der Wissenschaftler ermöglichen, neue Strategien zur Verbesserung der Ernährungssicherheit zu entwickeln. Ihre Ergebnisse wurden soeben in Nature veröffentlicht.

Erster visueller Beweis

"Unsere Forschung liefert den ersten visuellen Beweis auf zellulärer Ebene, wie sich Pflanzen vor einem Natriumüberschuss schützen", sagt Priya Ramakrishna, Postdoktorandin am Labor für Biologische Geochemie (LGB) der EPFL und Hauptautorin der Studie. "Frühere Hypothesen zu diesem Mechanismus beruhten auf indirekten Beweisen. Jetzt können wir sehen, wohin das Natrium bei unterschiedlichen Salzbelastungen transportiert wird - etwas, das wir vorher nicht in dieser Auflösung tun konnten." Das gemeinsame Team der EPFL und der UNIL führte mit dem kürzlich entwickelten CryoNanoSIMS-Instrument, das chemische Bilder von biologischem Gewebe mit einer Auflösung von 100 Nanometern ermöglicht, Beobachtungen in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit durch, in diesem Fall an Proben von Pflanzenwurzeln, die in einem Bad mit flüssigem Stickstoff eingefroren und unter Vakuum bei sehr niedrigen Temperaturen gehalten wurden, um alle Elemente an ihrem Platz im Gewebe zu erhalten.

Auf diese Weise konnten sie einzelne Pflanzenzellen kartieren und feststellen, wo Schlüsselelemente wie Kalium, Magnesium, Kalzium und Natrium in den Wurzelspitzen - dem als "Wurzelspitzenmeristem" bezeichneten Teil der Pflanze - gespeichert sind, die die für die Entwicklung des pflanzlichen Wurzelsystems verantwortlichen Stammzellen enthalten. Die CryoNanoSIMS-Bildgebung zeigte den Zustand der Wurzel unter zwei verschiedenen Salzstressbedingungen.

Ein Wechsel der Strategie

Unter leichtem Salzstress gelingt es den Zellen, das Eindringen von Natrium zu verhindern. Bei starkem Salzstress beobachtete das Team jedoch einen Strategiewechsel: Anstatt das Natrium, wie bisher angenommen, abzutransportieren, hilft der SOS1-Transporter dabei, es in Vakuolen abzuscheiden, die dazu dienen, unerwünschte Produkte zu speichern. "Dieser Verteidigungsmechanismus ist jedoch sehr energieaufwändig, verlangsamt das Wachstum der Pflanze, hemmt ihre Leistung und führt schließlich zu ihrem Tod, wenn der Salzstress anhält", erklärt Ramakrishna. Die Forscher bestätigten ihre Beobachtungen, indem sie dieselben Experimente an Mutantenproben durchführten, denen das SOS1-Transporter-Gen fehlt, und stellten fest, dass diese nicht in der Lage sind, Natrium in die Vakuolen zu transportieren, was ihre stark erhöhte Salzempfindlichkeit erklärt. Sie führten die Tests auch mit Wurzelproben von Reis - der weltweit am häufigsten angebauten Pflanze - durch und stellten fest, dass auch in diesem Fall das Natrium unter hohem Salzstress in die Vakuole transportiert wurde.

Ort und Funktion in Einklang bringen

Für Ramakrishna, einen ausgebildeten Pflanzenbiologen, ist die chemische Bildgebung, die mit dem CryoNanoSIMS-Instrument möglich ist, ein völlig neuer Ansatz. Das Instrument könnte auch eingesetzt werden, um zu untersuchen, wie sich Pflanzen gegen andere Bedrohungen wie Schwermetallverschmutzung und Mikroben schützen. "Mit dieser Art von wirklich interdisziplinärer Zusammenarbeit, d.h. der Verschmelzung von Biologie und Ingenieurwesen, können wir den Ort mit der Funktion in Einklang bringen und Mechanismen und Prozesse verstehen, die noch nie zuvor beobachtet wurden", sagt der korrespondierende Autor Anders Meibom, Professor an der School of Architecture, Civil and Environmental Engineering (ENAC) der EPFL und der Fakultät für Geowissenschaften und Umwelt der UNIL, in dessen Labor das CryoNanoSIMS-Instrument entwickelt wurde.

Niko Geldner, Mitverfasser der Studie, Leiter des Forschungsteams an der Fakultät für Biologie und Medizin der UNIL und Leiter des UNIL-Teams, ist von dieser Zusammenarbeit ebenfalls begeistert: "Pflanzen sind grundsätzlich darauf angewiesen, mineralische Nährstoffe aus dem Boden zu gewinnen, aber wir waren nie in der Lage, deren Transport und Akkumulation mit ausreichender Auflösung zu beobachten. Mit der CryoNanoSIMS-Technologie ist dies nun endlich möglich und sie verspricht, unser Verständnis der Pflanzenernährung über das Salzproblem hinaus zu verändern. Professor Christel Genoud, Mitautorin der Studie und Direktorin des Dubochet Center for Imaging, fügt hinzu: "Diese Technik eröffnet einen völlig neuen Horizont in der Bildgebung von biologischem Gewebe und verschafft unseren Instituten eine führende Position auf diesem Gebiet.

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Originalveröffentlichung

Priya Ramakrishna, Francisco M. Gámez-Arjona, Etienne Bellani, Cristina Martin-Olmos, Stéphane Escrig, Damien De Bellis, Anna De Luca, José M. Pardo, Francisco J. Quintero, Christel Genoud, Clara Sánchez-Rodriguez, Niko Geldner, Anders Meibom; "Elemental cryo-imaging reveals SOS1-dependent vacuolar sodium accumulation"; Nature, 2025-1-15

https://www.analytica-world.com/de/news/1185353/wie-kryogene-mikroskopie-zur-verbesserung-der-ernaehrungssicherheit-beitragen-koennte.html