Forschung & Entwicklung

Mit Licht Pflanzenprozesse steuern

Ein optogenetisches Werkzeug für den Einsatz in der Pflanzenforschung kann Prozesse in Pflanzen präzise steuern.

Mit der Optogenetik kann das Verhalten von biologischen Zellen mit optischen Schaltern gesteuert werden, indem gezielt bestimmte Abschnitte des Genoms aktiviert werden. So lassen sich etwa Signal- und Stoffwechselprozesse durch gezielte Aktivierung mit Licht kontrollieren.

Ein Team um die Forscher an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) Professor Matias Zurbriggen (Institut für Synthetische Biologie) und Professor Rüdiger Simon (Institut für Entwicklungsgenetik) ist es nun mit Kollegen vom CIBSS an der Universität Freiburg und der University of East Anglia-Norwich gelungen, einen für Pflanzen maßgeschneiderten optogenetischen Schalter zu entwickeln. Dieses Pulse (Plant Usable Light-Switch Elements) genannte Werkzeug eignet sich für Pflanzen im normalen Tag-/Nachtzyklus. Es wird durch gezielte Bestrahlung mit rotem Licht einer sehr eng begrenzten Wellenlänge aktiviert und mit normalem weißem Licht zurücksetzt.

Pulse besitzt dazu zwei optogenetische Schalter, die auf zwei unterschiedliche Wellenlängen reagieren: Das monochromatische rote Licht aktiviert den Schalter und ermöglicht somit, dass nur dann ein bestimmtes Gen ausgelesen wird. Blaues Licht aus dem Tageslicht setzt den Schalter wieder zurück und stoppt somit die Genexpression. Dieser Prozess ist beliebig oft wiederholbar.

Professor Zurbriggen zur Bedeutung der Entwicklung: „Pulse führt die überlegenen Vorteile der Optogenetik in Pflanzen ein. Das System ist vollständig reversibel, es erreicht eine hohe Dynamik und zeitliche Auflösung. Die Steuerung zellulärer Prozesse mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung hilft, die Dynamik biologischer Signalnetzwerke quantitativ zu verstehen und biotechnologische Anwendungen zu entwickeln.“

Die Düsseldorfer Forscher haben Pulse zunächst in eine der Modellpflanzen der Biologie, in die Ackerschmalwand eingebaut. Ebenso war es möglich, dieses Werkzeug mit CRISPR/Cas9-basierten Technologien zu kombinieren. Und schließlich konnten am Beispiel von Tabakpflanzen und wiederum der Ackerschmalwand auch physiologische Reaktionen bei Pflanzen manipuliert werden, zum Beispiel deren Immunantwort.

Professor Simon: „Das optogenetische Werkzeug erlaubt, die Ausprägung wünschenswerter Eigenschaften bei einer Pflanze quasi zu programmieren. Damit kann Pulse das optogenetische Instrumentarium für die Pflanzenforschung erheblich erweitern und es in Zukunft erleichtern, gezielt biologische Prozesse wie Differenzierungs- und Entwicklungsprozesse, Hormonsignalwege und Stressantworten zu untersuchen und zu manipulieren.“

Die Arbeiten wurden im Rahmen des Forschungsprogramms Cluster of Excellence on Plant Sciences (CEPLAS) durchgeführt.

von mn

Originalveröffentlichung:

[R. Ochoa-Fernandez et al., Optogenetic control of gene expression in plants in the presence of ambient white light, Nature Methods (2020), DOI: 10.1038/s41592-020-0868-y]

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