Zuckerrüben im MRT

Phänotyp und Genotyp

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

„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. Aufgrund der zeitlichen Veränderung des Phänotyps ist es wichtig, diesen in seiner Dynamik zu erfassen. Gene lassen sich hingegen schnell sequenzieren. „Dabei nutzen wir den Phänotyp – den baut die Landwirtschaft an, und der landet auf dem Teller. Züchter kombinieren Phänotypen mit Genotypen, um vererbbare Eigenschaften zu identifizieren, also um Pflanzen mit zum Beispiel besonders hohem Zuckergehalt, viel Photosynthese und Wachstum oder großer Durchwurzelungstiefe aufgrund besonders vorteilhafter genetischer Ausstattung zu züchten“, erläutert Schurr.

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. Die Phänotypisierung gehörte auch stets zum klassischen Geschäft von Pflanzenzüchtern, die übers Feld liefen und sich Pflanzen qualitativ anschauten – meist ohne zu quantifizieren. Noch vor 20 Jahren beschrieb die Phänotypisierung nur wenige einfache Parameter. Mit der rasanten Technologieentwicklung lassen sich heute viele komplexe Parameter in kürzerer Zeit bestimmen. Roboter, Drohnen und Satelliten scannen mit speziellen Sensoren entlang des elektromagnetischen Spektrums Anbaugebiete sowohl schnell als auch in großen Mengen. Aus dem All lassen sich Ernten mit multispektralen Daten analysieren und Erträge sogar vorhersagen. Und auf dem Feld kann der Bauer selbst mit dem Handy Wärmebilder erzeugen und dank LIDAR-Technologie die Pflanzen und ihre Umgebung präzise vermessen. Viele dieser Neuerungen wurden und werden in Deutschland entwickelt.

Merkmale der Rüben

Isabel Keller und ihr Kollege Benjamin Pommerrenig suchen am Forschungszentrum Jülich nach Merkmalen, die das Erscheinungsbild der Zuckerrübe unter Kältestress bestimmen. Um den Zuckerstoffwechsel zu verstehen, haben sie in der Vergangenheit auf klassische Weise viele Rüben zu verschiedenen Zeitpunkten aufgeschnitten und unter dem Mikroskop analysiert. Aber Vergleiche einzelner Pflanzen gestalteten sich immer schwierig. „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.“ Doch mithilfe der 3D-Scans eines Magnetresonanztomografen (MRT) können sie in dieselbe Rübe immer wieder hineinblicken, die Veränderung ihrer Form und Struktur im Zeitverlauf analysieren und daraus Rückschlüsse auf den Zucker-Stoffwechsel ziehen.

Seit das Genom der Zuckerrübe 2014 entschlüsselt wurde, beschäftigt sich Benjamin Pommerrenig mit ihrem Stoffwechsel. „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 Photosynthese gebildet. Pflanzenforschende bezeichnen das Blattgewebe entsprechend als „Quelle“. Der Zucker gelangt dann über Leitbahnen zum Speicherorgan Rübe, der „Senke“.

Nachdem das Team von Pommerrenig und Keller die Gene identifiziert hatten, die den Zuckertransport in der Rübe verantworten, erlebten sie allerdings eine große Überraschung: Bei niedrigen Temperaturen findet in der Zuckerrübe nämlich eine Transportumkehr des Zuckers statt, von der Wurzel hoch zu den Blättern. Bei Kälte werden also die Zuckerrübenblätter zur Senke. Diese kälteabhängige Transportumkehr wurde zuvor noch nie bei Zuckerrüben beobachtet. Dieser Fund warf weitere Fragen auf. 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-Experimente

Nachdem Isabel Keller alle Zuckerrüben am Forschungszentrum Jülich fertig eingetopft hat, chauffiert sie ihre Pflänzchen zurück nach Kaiserslautern in die Kühlkammer. Dort sollen sie mindestens 16 Wochen lang bei 4 Grad Celsius heranwachsen. Die systematische MRT-Untersuchung bei Raumtemperatur findet danach in Jülich beim Deutschen Pflanzen-Phänotypisierungs-Netzwerk (DPPN) statt. Das nationale Kompetenzzentrum bündelt verschiedene Fachexpertisen und ermöglicht Pflanzenforschenden den Zugang zu Spezialgeräten.

Keller übergibt ihre Pflanzen dort einem vollautomatisierten Phänotypisierungssystem. Es steht unter der Aufsicht von DPPN-Experten: Der Physiker Daniel Pflugfelder hat das technische Know-how, schreibt die MRT-Auswertungsprogramme und konfiguriert das Experiment. Der Biologe Robert Koller übernimmt die wissenschaftliche Betreuung.

Nacheinander wird jeder Topf in der Pflanzenanzuchtkammer von einem Roboterarm gegriffen und über einen Fahrstuhl zum MRT gefahren, das hochkant im Raum steht. Die Pflanzen werden passgenau durch das Loch von oben senkrecht heruntergelassen. Nach der Messung geht es zurück in die Anzuchtkammer. Nach 20 Stunden sind alle 30 Rüben durchgescannt. Da jeder Topf seinen individuellen Barcode hat, weiß die Phänotypisierungsmaschinerie genau, wann sie diese Rübe das nächste Mal zum MRT-Scan abzuholen hat.

Auch in einem anderen Teil im Gewächshaus des Forschungszentrums Jülich herrscht geschäftiges Treiben inmitten von 850 Pflanzenträgern: Immerzu werden Pflanzen von autonomen Robotern zur Vermessung transportiert, hinein- und herausgefahren. Hier entstehen täglich Terabytes an Daten, die heruntergebrochen und umgespeichert werden müssen, damit sinnvolle wissenschaftliche Praxis betrieben werden kann. Heute inklusive Künstlicher Intelligenz (KI) und Maschinellen Lernens – alles hausintern entwickelt.

Vor knapp 15 Jahren begann hier die technologische Entwicklung mit den weltweit ersten systematischen MRT- und Positronen-Emissions-Tomografie-Untersuchungen (PET) an Pflanzen. Ulrich Schurr und sein Team nutzten Mitte der 2000er-Jahre die Gerätschaften der benachbarten medizinischen Institute. Sie legten kleine Tomatenpflanzen in horizontal liegende Humanscanner, um zu erproben, was auf einem 3D-Scan der Wurzeln zu sehen ist.

Beim MRT werden die Schichtaufnahmen mithilfe von Magnetfeldern und Radiowellen erzeugt. Anders funktioniert die Positronen-Emissions-Tomografie. Hierbei wird dem zu untersuchenden Körper eine leicht radioaktiv markierte Substanz appliziert, die sich im Körper verteilt. Anhand dieser Verteilung können Stoffwechselvorgänge beobachtet werden. Als die Pflanzenphysiologen MRT und PET kombinierten, erkannten sie: Ersteres bildet die verzweigte Struktur der Wurzel ab, während das PET-Bild zuerst unzusammenhängende Punkte im Raum zeigte, wo offensichtlich Kohlenstoff abgelagert wurde. Erst in der Überlagerung von MRT und PET war zu erkennen, was die „Punkte“ waren: Der Kohlenstoff aus der Photosynthese lagerte sich vornehmlich in den Wurzelspitzen ab, die das schnellste Wachstum verzeichneten.

Um das Potenzial dieser neuen Technologien für die Pflanzenforschung zu erschließen, beschloss Schurrs Team, eigene Systeme zu entwickeln – mit einer vertikalen Auflagemöglichkeit, weil Pflanzen ungern liegen. 2010 stand das erste vertikale Pflanzen-MRT, und allmählich wuchs ein weltweit einmaliges Zentrum mit weiteren Großgeräten wie einem Zyklotron zur Herstellung der benötigten Radioisotope und einem Positronen-Emissions-Tomografen.

Übrigens half der Dialog um Schurrs Tomatenforschung mithilfe von MRT seinen Jülicher Medizin-Kollegen bei deren Methodenentwicklung, 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 schon immer den 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. Ihre vielfältigen Einsatzmöglichkeiten lassen sich laut Schurr heute in vier Bereiche mit unterschiedlichen Motivationen, Tätigkeitsfeldern und Methoden einteilen: Im ersten Bereich betreiben Forschende eine „Tiefen-Phänotypisierung“, um grundlegende Prozesse räumlich und zeitlich mit hoher Auflösung abzubilden und zu verstehen. Das Zuckerrüben-Experiment von Keller und Pommerrenig gehört hierzu. Der zweite Bereich ist durch eine hohe Quantität gekennzeichnet: Bei der sogenannten Hochdurchsatz-Phänotypisierung wird eine große Anzahl von Pflanzen automatisiert vermessen. Der dritte Bereich, bei dem Entwicklungen auf dem Feld beobachtet und untersucht werden, sei komplex, weil Umwelt und Böden variieren und daher weitere Screening-Methoden zur Charakterisierung der Erscheinungsbilder notwendig seien. Der vierte Bereich sei durch landwirtschaftliche oder züchterische Aktivitäten dominiert und setzt heute schon erste Robotik zur Pflanzenvermessung oder zum Pflanzenmanagement ein.

Kranke Rüben

Die Zuckerrübenpflanzen von Keller und Pommerrenig werden wöchentlich im MRT analysiert und die Datensätze nach Kaiserslautern gemailt. PET-Analysen sind in diesem ersten Schritt des Prozesses nicht vorgesehen, könnten aber zukünftig für weitere Fragestellungen interessant werden. Doch dann ist plötzlich auf den MRT-Scans etwas zu erkennen, was dort nicht hingehört. Daniel Pflugfelder meldet eine braune Verfärbung der Blätter und konsultiert Keller und Pommerrenig. Auch in den darauffolgenden Scans ist dann zu sehen, dass ein Krankheitserreger die Zuckerrüben befallen hat. Das Risiko eines Befalls besteht überall und jederzeit – auch Forschungspflanzen sind davor nicht gefeit.

Im Laufe der nächsten Wochen frisst sich der Krankheitserreger durch die Rüben. Keller und Pommerrenig sind enttäuscht. Der neue Blütenstand nach der Kälteperiode hatte sich noch nicht vollends entwickelt, und das Experiment ist nicht abgeschlossen. Trotzdem müssen die Pflanzen unter diesen Umständen vorzeitig abgeerntet werden. Keller findet es wichtig, auch über solche Experimente zu sprechen. So sei Wissenschaft nun mal. Und wer weiß? Vielleicht sind diese Daten noch zu etwas nütze.

Möglicherweise interessieren sich Pathogen-Spezialisten für die in den Scans sichtbare Entwicklung des Krankheitsbefalls. Und abgesehen von der Enttäuschung darüber, das Experiment nicht abschließen zu können, ist es umso erstaunlicher, was sich an Informationen aus den bisherigen Analysen ziehen lässt. Immerhin ist so der erste und einzige 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 mittels ionisierender Strahlen oder chemischer Stoffe 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 mutagenisierten 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 invasiven Methoden niemals möglich gewesen.“

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