Wie die kryogene Mikroskopie zur Ernährungssicherheit beitragen könnte

Ein gemeinsames Forschungsteam der EPFL und der Universität Lausanne berichtet über eine neuartige Beobachtung eines Pflanzenschutzmechanismus als Reaktion auf Salzstress. Die Studie eröffnet neue Wege in der Forschung zur Verbesserung der Ernährungssicherheit.

Sandrine Perroud 15.01.2025

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 Bodenversalzung zerstört, was eine Bedrohung für die weltweite Ernährungssicherheit darstellt.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der EPFL und der Universität Lausanne (UNIL) und ihre spanischen Partner haben beobachtet, wie das 1996 identifizierte Gen «Salt Overly Sensitive 1» (SOS1) die Pflanzenzellen vor Salz schützt. Das Team aus Biologen und Ingenieurfachleuten 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 gespeichert 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.

«Wir können jetzt sehen, wohin das Natrium bei verschiedenen Salzbelastungen transportiert wird – etwas, das wir bisher bei dieser Auflösung nicht tun konnten.» Priya Ramakrishna, Postdoktorandin am LGB der EPFL

Erster visueller Beweis

«Unsere Forschung liefert den ersten visuellen Beweis auf zellulärer Ebene dafür, 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 basierten auf indirekten Beweisen. Das gemeinsame Team der EPFL und der UNIL hat 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 durchgeführt, 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 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 Strategiewechsel

Bei leichtem Salzstress gelingt es den Zellen, das Eindringen von Natrium zu verhindern. Bei starkem Salzstress beobachtete das Team jedoch einen Strategiewechsel: Anstatt das Natrium auszuscheiden, wie bisher angenommen, trägt der SOS1-Transporter dazu bei, es in Vakuolen abzusondern, die dazu dienen, unerwünschte Produkte zu speichern. «Dieser Abwehrmechanismus ist jedoch energieintensiv, verlangsamt das Wachstum der Pflanze, hemmt ihre Leistung und führt schliesslich zu ihrem Tod, wenn der Salzstress anhält», erklärt Ramakrishna. Die Forschenden 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 starkem Salzstress in die Vakuole transportiert wurde.

«Durch diese Art der wirklich interdisziplinären Zusammenarbeit können wir den Ort mit der Funktion in Einklang bringen und Mechanismen und Prozesse verstehen, die noch nie zuvor beobachtet wurden.» Anders Meibom, ordentlicher Professor an der UNIL und der EPFL

Standort und Funktion aufeinander abstimmen

Für Ramakrishna, einen ausgebildeten Pflanzenbiologen, ist die chemische Bildgebung, die das CryoNanoSIMS-Instrument ermöglicht, ein völlig neuer Ansatz. Und 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., Mit dieser Art von wirklich interdisziplinärer Zusammenarbeit, d.h. der Verbindung von Biologie und Ingenieurwissenschaften, 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 Fakultät für Bau, Archtektur und Umwelt (ENAC) der EPFL und der Fakultät für Geowissenschaften und Umwelt der UNIL, in dessen Labor das CryoNanoSIMS-Instrument entwickelt wurde.

Niko Geldner, Mitautor der Studie, Leiter des Forschungsteams an der Fakultät für Biologie und Medizin der UNIL und Leiter des UNIL-Teams, ist ebenfalls begeistert von dieser Zusammenarbeit: «Pflanzen sind grundsätzlich darauf angewiesen, mineralische Nährstoffe aus dem Boden zu gewinnen, aber wir waren nie in der Lage, ihren Transport und ihre Anreicherung mit ausreichender Auflösung zu beobachten. Professor Christel Genoud, Mitautorin der Studie und Direktorin des Dubochet-Zentrums für Bildgebung, fügt hinzu: «Diese Technik eröffnet einen völlig neuen Horizont in der Bildgebung von biologischem Gewebe und macht unsere Institutionen zu Vorreitern auf diesem Gebiet.