Mehr mit weniger in der Untersuchung der chemischen Abwehr von Pflanzen

Pflanzen können nicht weglaufen, um nicht gefressen zu werden, stattdessen setzen sie eine Vielzahl chemischer Abwehrkräfte ein, um Pflanzenfresser in Schach zu halten. Das Verständnis der chemischen Abwehrkräfte von Pflanzen ist entscheidend, um Pflanzen gesund zu halten und eine Vielzahl akademischer Fragen zu Ökologie und Evolution zu beantworten. Aktuelle Techniken zur Beurteilung der chemischen Abwehr von Pflanzen sind jedoch zeitaufwändig und erfordern unpraktisch große Mengen an Pflanzengewebe. In der Forschung, die in einer aktuellen Ausgabe von Applications in Plant Sciences vorgestellt wurde, entwickelten Dr. Chandra Jack und Kollegen eine neue Technik zur Beurteilung der chemischen Abwehr von Pflanzen, die für eine Vielzahl experimenteller Anwendungen weniger mühsam und praktischer ist.

Traditionelle Methoden zur Messung von chemischen Verbindungen verwenden Licht, um verschiedene Chemikalien in Blättern mit einem Gerät zu messen, das als Spektralphotometer bezeichnet wird. Diese Methoden erfordern große Gewebeproben, was bedeutet, dass mehrere Blätter zusammengelegt werden müssen, um eine sinnvolle Variation zu erzielen. Die hier berichtete Technik unter Verwendung eines Mikroplattenlesers detektierte Aktivität in Proben, die kleiner als 10 mg oder 2% des herkömmlichen Gewebeprobengewichts waren.

„Eine der größten Einschränkungen ist die Menge an Gewebe, die für herkömmliche Spektralphotometer-basierte Assays benötigt wird“, sagte Dr. Jack, der Hauptautor der Studie. „Da die Forscher jetzt keine Blätter einer einzelnen Pflanze kombinieren müssen, können sie lokalisierte versus systemische Reaktionen besser untersuchen oder die individuelle Pflanzenreaktion im Laufe der Zeit überwachen… Es erlaubt uns, die Variation auf Populationsebene zu messen und den Einfluss der Umwelt auf Gene zu analysieren.“

„Die andere Einschränkung ist die Zeit, die für die Durchführung dieser Experimente benötigt wird“, sagte Dr. Jack. Der enorme Arbeits- und Zeitaufwand für die Durchführung von Assays mit spektrophotometrischen Methoden schränkt die Anzahl der zu bewertenden Proben erheblich ein. Dies begrenzt mögliche experimentelle Designs und folglich die Art von Fragen, die man hoffen kann, zu beantworten. Darüber hinaus erschweren sowohl die Zeit- als auch die Gewebeanforderungen herkömmlicher Methoden das erneute Ausführen einer Probe oder das Reproduzieren eines Ergebnisses. In dieser Studie konnten die Forscher eine Reihe von Assays durchführen, die normalerweise 41 Stunden in nur sechs Stunden dauern würden.

Die chemische Abwehr von Pflanzen ist komplex und umfasst die gleichzeitige Herstellung mehrerer Verbindungen. Während traditionelle Techniken separate Extraktionen erfordern, um jede Klasse von Verteidigungsverbindungen zu untersuchen, verwendet die hier vorgestellte Technik konsolidierte Vorbereitungspuffer und Protokolle, um mehrere Verbindungen gleichzeitig zu extrahieren. Dies macht es praktisch, ein breiteres Spektrum chemischer Reaktionen zu messen und ein differenzierteres und hochauflösenderes Bild der Pflanzenabwehr zu erhalten. „Pflanzen produzieren als Reaktion auf einen Angriff von Pflanzenfressern so viele sekundäre Metaboliten und Enzyme, dass die Geschichte der Pflanzenabwehr nicht vollständig ist, es sei denn, Sie untersuchen mehrere Verbindungen“, sagte Dr. Jack.

Die hier vorgestellte Methode, bei der Probenvorbereitungspuffer konsolidiert und Proben gleichzeitig auf einer Mikroplatte durchgeführt werden, reduziert den Zeit- und Kostenaufwand für die Analyse von Abwehrstoffen erheblich. „Für uns war es eine Notwendigkeit, die Mutter der Erfindung zu sein“, sagte Dr. Jack. „Ich wollte ein Experiment machen…und konnte keine Hochdurchsatz-Assays finden, um das zu erreichen, was benötigt wurde.“ Aber bei der Entwicklung dieser Technik eröffneten die Autoren Wege der Untersuchung der Pflanzenabwehr für andere. Forscher können jetzt mehrere Abwehrstoffe gleichzeitig untersuchen, lokalisierte und systemische Reaktionen betrachten, eine größere Stichprobe von Individuen vergleichen und ihre Ergebnisse viel besser als zuvor replizieren.

„Ursprünglich sollte dies kein eigenständiges Projekt sein“, sagte Dr. Jack. „Als wir jedoch die Literatur durchkämmten und so viel Zeit in das Protokoll investierten, stellten wir fest, dass dies für die wissenschaftliche Gemeinschaft nützlich sein und so viele verschiedene Bereiche betreffen könnte.“