Um Kulturpflanzen zu erforschen und zu verbessern, untersuchen Forscher bestimmte Merkmale. Für die Züchtung wichtig sind zum Beispiel die Kornanzahl beim Mais oder die Samengröße beim Weizen. Diese für uns sichtbaren Merkmale werden aber durch molekulare Prozesse in den Pflanzenzellen gesteuert, die sich auf mikroskopischer Ebene abspielen. Inzwischen werden in der Biologie 3D-Bildgebungsverfahren verwendet, um solche Merkmale auf allen Größenskalen der Pflanze zu erfassen: von den kleinen Zellen bis zu Blättern und Blüten.
Dafür wird aus vielen einzelnen Aufnahmen ein 3D-Volumen-Modell erstellt. Bisher konnten nur Schichten mit der Dicke weniger Zellen von Pflanzengewebe und einem kleinen Ausschnitt der relevanten Makrostruktur dargestellt werden. Der Biologe Christopher Topp und seine Arbeitsgruppe am Donald Danforth Plant Science Center im US-Bundesstaat Missouri haben jedoch eine neue 3D-Röntgenmikroskopie-Methode entwickelt. Die Wissenschaftler können damit Pflanzenzellen sogar tief in Geweben und Organen hochaufgelöst abbilden.
Das Verfahren eröffnet nun neue Möglichkeiten für die Forschung an Pflanzen: Zellen ganzer Pflanzenorgane oder in dicken Geweben können mithilfe der verbesserten 3D-Röntgenmikroskopie scharf abgebildet werden. Je besser die Auflösung oder stärker die Vergrößerung bei der Röntgenmikroskopie sein soll, desto stärker wird die Probe durch die verwendete Strahlung beschädigt. Um die Probe robuster zu machen und damit Auflösung und Vergrößerung zu erhöhen, entwickelten die Forscher ein neues Probenvorbereitungs-Verfahren.
Zusätzlich zu einer verbesserten Röntgenmikroskopie-Technik trägt eine Kombination aus Röntgenmikroskopie für größere und Rasterelektronenmikroskopie für detailliertere Ausschnitte zu guter Auflösung in verschiedenen Größenskalen bei. Die so entstandenen Aufnahmen ermöglichen eine detailliertere Analyse der daraus errechneten 3D-Darstellungen. Die Wissenschaftler optimierten die Aufnahmeparameter für eine Vielzahl an Pflanzengeweben, bisher genutzte Verfahren waren dagegen jeweils nur für einen begrenzten Anwendungsbereich einsetzbar.
In Zukunft soll mit der neuen Bildgebungsmethode unter anderem die natürliche Interaktion von Wurzeln und Mikroben unter der Erde untersucht werden. „Bis vor kurzem hatten wir keine Werkzeuge, um diese Interaktionen zu verstehen“, sagt Topp. „3D-Röntgenmikroskopie kann dazu beitragen, das Potenzial für die Wiederherstellung dieser natürlichen Allianzen in unseren Landwirtschaftssystemen zu erschließen.“ Die Forschung könnte dabei helfen, künftig weniger künstlichen Dünger einsetzen zu müssen und damit zum Umweltschutz beizutragen.
