Mit Licht Pflanzenprozesse steuern

Die Optogenetik bietet ein mächtiges Forschungsinstrumentarium für die Biologie. Mit ihr können Forschende das Verhalten biologischer Zellen mit molekularen Schaltern steuern, die lichtabhängig gezielt bestimmte Abschnitte des Genoms aktivieren. So lassen sich etwa Signal- und Stoffwechselprozesse durch Licht kontrollieren. In der Forschung an Pflanzen waren optogenetische Methoden bisher kaum einsetzbar, da das Licht, das die Pflanzen zum Wachsen brauchen, die optischen Schalter ungezielt aktiviert. Einem Team um Prof. Dr. Matias Zurbriggen und Prof. Dr. Rüdiger Simon des Exzellenzclusters CEPLAS an der Heinrich-Heine Universität Düsseldorf, die Signalforscher Prof. Dr. Thomas Ott, Prof. Dr. Wilfried Weber und Prof. Dr. Jens Timmer vom Exzellenzcluster CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies der Universität Freiburg sowie Kolleginnen und Kollegen der University of East Anglia-Norwich/England ist es nun gelungen, einen für Pflanzen maßgeschneiderten optogenetischen Schalter zu entwickeln. Diese PULSE (Plant Usable Light-Switch Elements) genannte Gensequenz eignet sich für Pflanzen im normalen Tag-Nacht-Zyklus, wie die Forschenden im Fachjournal Nature Methods berichten.

Viele Studien zur Optogenetik haben Zellen von Säugetieren, Hefen und Bakterien im Blick. Weit seltener sind dagegen Arbeiten aus dem Pflanzenbereich. Dies liegt auch daran, dass geeignete optische Schalter fehlen, die in Pflanzenzellen eingesetzt und dort gezielt gesteuert werden können. PULSE umgeht dieses Problem, indem es durch gezielte Bestrahlung mit rotem Licht aktiviert wird und sich mit normalem weißem Licht wieder ausschaltet. PULSE besteht aus zwei optogenetischen Schaltern, 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. Die Forscherinnen und Forscher haben PULSE zunächst in eine der Modellpflanzen der Biologie, in die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), eingebaut. Ebenso war es möglich, dieses Werkzeug mit CRISPR/Cas9-basierten Technologien zu kombinieren. Und schließlich konnten, am Beispiel von Tabakpflanzen (Nicotiana benthamiana) und wiederum der Ackerschmalwand, auch physiologische Reaktionen bei Pflanzen manipuliert werden, zum Beispiel deren Immunantwort.

„Dieses genetische Werkzeug eröffnet uns zukünftig auch in Pflanzen die einzigartige Möglichkeit, die Aktivität einzelner Gene in wenigen Zellen eines intakten Gewebes gezielt ein- und auszuschalten“, fasst Thomas Ott von CIBSS die Studie zusammen. „So können wir die Funktion einzelner Gene im lebenden Organismus wesentlich präziser untersuchen.”

Originalpublikation:
Rocio Ochoa-Fernandez, Nikolaj B. Abel, Franz-Georg Wieland, Jenia Schlegel, Leonie A. Koch, J. Benjamin Miller, Raphael Engesser, Giovanni Giuriani, Simon M. Brandl, Jens Timmer, Wilfried Weber, Thomas Ott, Rüdiger Simon, Matias D. Zurbriggen, Optogenetic control of gene expression in plants in the presence of ambient white light, Nature Methods (published online 29.06.2020). DOI: 10.1038/s41592-020-0868-y

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Pressemitteilung der Universität Düsseldorf mit weiteren Informationen und Zitaten