Wassertransport „live“ in Pflanzen beobachten

Wie schnell nehmen welche Wurzelbereiche Wasser auf? Welche Gewebe werden vom aufgenommenen Wasser in welcher Geschwindigkeit erreicht? Diese und ähnlich Fragen konnten Pflanzenforscher bisher kaum untersuchen, weil es kein geeignetes 3D-Bildgebungsverfahren gab. Dank modernster Neutronentomografie hat sich das nun geändert.

Etwas Tinte ins Blumenwasser, abwarten, und wenig später sind aus den weißen Blüten blaue geworden: Dieses Experiment haben wohl die meisten Menschen irgendwann als Kinder einmal durchgeführt. Man könnte also meinen, dass es Wissenschaftlern nicht schwer fallen sollte zu beobachten, wie schnell und auf welchen Wegen Wasser durch eine Pflanze transportiert wird – einfach das Wasser einfärben. Tatsächlich aber bewegen sich die Farbmoleküle mit einer anderen Geschwindigkeit durch das pflanzliche Gewebe als Wassermoleküle es tun. Ein deutsch-französisches Forscherteam hat nun eine hochtechnisierte Methode so weit verbessert, dass der Wasserfluss im Wurzelraum lebender Pflanzen in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung beobachtet werden kann.

Methode erfordert Neutronenquellen

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Die Rede ist von der Neutronentomografie. Das Verfahren ähnelt der Computertomografie, nur dass die Experimentatoren dort Röntgenstrahlen anstelle von Neutronen einsetzen. Neutronen haben vor allem den Vorteil, dass sie auch Wasser abbilden können; beim Röntgen bleibt es unsichtbar. Außerdem beschränken Metalle die Bildgebung bei der Neutronentomografie kaum. Allerdings sind die dazu nötigen Neutronenquellen eher Mangelware: Ihr Einsatz erfordert in der Regel Teilchenbeschleuniger oder Forschungsreaktoren. Wird ein Objekt mit Neutronen beschossen, interagieren diese mit den Atomkernen und erzeugen so abhängig von Absorption und Streuung ein Bild im Detektor.

Die Neutronenradiografie als zweidimensionale Momentaufnahme ist in der Pflanzenforschung bereits gut etabliert. Die dreidimensionale Neutronentomografie war bislang jedoch zu langsam, um dynamische Situationen wie die Wasserbewegung im Wurzelraum zu dokumentieren. Mit der leistungsstärksten Neutronenquelle der Erde, der NeXT-Einrichtung (Neutron and X-ray Tomography) am Institut Laue-Langevin im französischen Grenoble, haben deutsche und französische Forscher nun einen neuen Rekord bei der zeitlichen Auflösung aufgestellt: In 1,5 Sekunden erzeugte der Versuchsaufbau 155 radiografische Projektionen mit einer räumlichen Auflösung von 200 Mikrometern.

Die hohe räumliche Auflösung ermöglichte der starke Neutronenfluss des NeXT, der auch bei kurzen Expositionszeiten für ein ausreichendes Verhältnis von Signal zu Rauschen sorgt. Die zuvor höchste zeitliche Auflösung war mit zehn Sekunden etwa siebenmal so lang, und es ist noch nicht lange her, dass ein Neutronentomogramm mehr als eine Stunde erforderte – viel zu langsam, um die Wasserbewegungen in einer Pflanze abzubilden.

Schweres Wasser als Marker

Genau das ist jetzt aber gelungen. Die Wissenschaftler der Universität Potsdam und Grenoble sowie des Helmholtz-Zentrums Berlin untersuchten eine elf Tage alte Weiße Lupine, die in einer Pflanzenwachstumskammer unter kontrollierten Bedingungen aufwuchs. Eingetopft war sie in ein zehn Zentimeter hohes und 2,7 Zentimeter durchmessendes Glasgefäß, das mit sandigem Boden gefüllt war. Zu Beginn des Experiments bewässerten die Forscher das Gefäß von unten mit vier Millilitern schwerem Wasser (D₂O), dessen Moleküle statt des Wasserstoffisotops Protium das Isotop Deuterium enthalten. D₂O lässt sich mittels Neutronentomografie gut von gewöhnlichem Wasser unterscheiden. Dadurch lässt sich nachvollziehen, welches Wasser sich bereits in Boden und Pflanze befand und welches nun neu aufgenommen wird.

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Über 90 Sekunden erzeugten die Wissenschaftler im Abstand von 1,5 Sekunden dreidimensionale Momentaufnahmen, die sie anschließend renderten und zu einem Video zusammensetzten. Die Auflösung lag bei etwa 100 Mikrometern. In den Aufnahmen sind sowohl die Pfahlwurzel als auch die lateralen Wurzeln erster Ordnung klar zu erkennen und von der Erde im Wurzelraum abgegrenzt. Für die Aufnahme des Wasserflusses in lateralen Wurzeln zweiter Ordnung erwies sich das Hochgeschwindigkeitstomogramm als qualitativ nicht ausreichend. Tatsächlich stellte sich dabei nicht das Signal-Rausch-Verhältnis als tempolimitierender Faktor heraus, sondern die Aufnahmegeschwindigkeit der Kamera. Eine noch höhere zeitliche Auflösung sollte demnach mit  NeXT möglich sein. Die Forscher weisen allerdings daraufhin, dass schon jetzt Computersysteme mit mehreren Terabyte Arbeitsspeicher erforderlich sind, um die Datenmengen zu verarbeiten.

Bildgebung bestätigt frühere Studien

Mit der zeitlichen Auflösung von einem Bild pro 1,5 Sekunden ist im Experiment schon gut zu erkennen, wie das schwere Wasser im Glasgefäß durch die Bodenmatrix eindringt und das leichte Wasser nach oben verdrängt, bis dieses nach 90 Sekunden eine hydraulische Barriere im Topf erreicht. Dabei zeigt sich der Einfluss der Wurzeln auf das Sättigungsmuster des Bodens: Während das leichte Wasser im freien Erdreich schnell ersetzt wird, bewegt sich das schwere Wasser im Bereich der Pfahlwurzel langsamer. Das bestätigt frühere Studien, denen zufolge die Mobilität des Wassers im Wurzelraum verringert ist.

Überraschende biologische Erkenntnisse hatten die Forscher von ihrem Experiment auch nicht erwartet. Ihnen ging es zunächst um den Machbarkeitsbeweis, der die wachsende Bedeutung bildgebender Verfahren auch in der Pflanzenforschung untermauert. Genutzt werden diese bereits in der automatisierten Phänotypisierung, beispielsweise im Deutschen Pflanzen-Phänotypisierungs-Netzwerk (DPPN). Ein wichtiges Werkzeug dabei ist die Jülicher Technologieplattform für die Pflanzenphänotypisierung (JTPP). Künftig also könnte die Bildgebung mittels Neutronentomografie dazu beitragen, die „Blackbox“ im Wurzelraum der Pflanzen weiter zu öffnen.