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Pilzgene lassen Pflanzen leuchten

26.06.2020 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Leuchtende Blätter. (Bildquelle: © Planta)

Leuchtende Blätter. (Bildquelle: © Planta)

Blumenbeete, die im Dunkeln leuchten und Bäume, die nachts unsere Straßen erhellen? Eher Science-Fiction, aber einem internationalen Forscherteam ist es tatsächlich gelungen, Tabakpflanzen mithilfe von Genen des Pilzes Neonothopanus nambi zum Leuchten zu bringen. Für Forscher ein neuer Ansatz, gewebsspezifische Stoffwechsel- oder Hormonaktivitäten in Pflanzen leichter zu visualisieren.

Leuchteffekt durch Biolumineszenz

Erstaunlich sind die Aufnahmen der WissenschaftlerInnen rund um Dr. Karen Sarkisyan am London Institute of Medical Science (MCI) allemal. Ihnen ist gelungen, woran sich andere Forscher bereits auf unterschiedlichen Wegen erfolglos versucht hatten: Pflanzen zum Leuchten zu bringen.

Kein bahnbrechender Effekt, so scheint es zunächst, denn gentechnisch veränderte Pflanzen mit Leuchteffekt gibt es schon lange. Allerdings basierten diese bisher auf Fluoreszenz – das Leuchten kam erst durch Bestrahlung mit UV-Licht zustande. Eigenständiges Leuchten, auch Biolumineszenz genannt, kommt natürlicherweise nur bei Leuchtkäfern und einigen Tiefseefischen, Bakterien und Pilzen vor. Auch die Übertragung von „Leucht-Genen“ von Glühwürmchen oder bestimmten Bakterienarten in Pflanzen führte zu keinem überzeugenden Ergebnis. Die strahlenden Pflanzen des internationalen Forschungsteams sind daher ein richtiger Durchbruch.

Gentransfer vom Pilz zur Pflanze

In jüngster Vergangenheit wurde Biolumineszenz am Beispiel des leuchtenden Pilzes Neonothopanus nambi intensiver erforscht. WissenschaftlerInnen gelang es, die entscheidenden vier Gene für diese Leuchtkraft zu identifizieren. Zum ersten Mal war damit die genetische Grundlage für Biolumineszenz eines mehrzelligen Organismus vollständig aufgeklärt. Sarkisyan und sein Team transferierten diese Gene in das Genom von Tabakpflanzen (Nicotiana tabacum / Nicotiana benthamiana). Diese Pflanzen leuchten jetzt zehnmal heller als alle bisherigen Gentech-Gewächse mit Lumineszenz-Effekten.

Kaffeesäure-Zyklus als Motor

Die Biolumineszenz basiert auf einem organischen Stoff, der bei Pflanzen natürlich vorkommt: Kaffeesäure. Sie ist hier eine Ausgangssubstanz für den Aufbau von Zellwänden. Mit den transferierten Genen von Neonothopanus nambi können die Pflanzen nun Kaffeesäure zu Luciferin umwandeln. Luciferin wird anschließend durch Luciferase oxidiert, wobei Licht emittiert wird. Anschließend wird die Kaffeesäure regeneriert. So entsteht ein fortwährender Kreislauf, der für das Leuchten verantwortlich ist.

Das Luciferin-Luciferase-System

Die ersten experimentellen Arbeiten in Sachen Luciferin-Luciferase-System gehen auf den Franzosen Raphael Dubois zurück. Er entdeckte bereits 1885 an Leuchtkäfern, dass ein Stoff in einer lichtgebenden Reaktion umgewandelt wird. Unter Verbrauch von Sauerstoff und Energie (ATP) oxidiert die Luciferase das Luciferin. Das nun oxidierte Luciferin gelangt über weitere Zwischenschritte in einen elektronisch angeregten Zustand. Beim augenblicklichen ‚Zurückfallen‘ in den Grundzustand erzeugt es ein Photon oder Lichtquant, der die Zelle zum Leuchten bringt.

Tabak – nicht die einzige geeignete Pflanze

Für die Studie nutzte das Forscherteam die Tabakpflanze, eine oft verwendete Modellpflanze in der Genetik. Sie ist gut erforscht und leicht zu handhaben. Die genetische Veränderung hatte in den Versuchen, neben einer Größenzunahme um zwölf Prozent, keine weiteren Auswirkungen auf das Aussehen und Entwicklung der Pflanzen. Alle Pflanzenteile zeigten Lumineszenz – in den Blüten am stärksten und in alten Sprossteilen am schwächsten.

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Leuchtende Pflanzen: Durch Einfügen von Pilzgenen konnte das Team Pflanzen erzeugen, die viel heller leuchten als es bisher möglich war.

Videoquelle: © MRC London Institute of Medical Science / youtube.com

Dass sich auch andere Pflanzen für das neuartige Biolumineszenz-Verfahren eignen, zeigen die neusten Versuche der Forscher: Auch Immergrün, Petunien und Rosen wurden bereits erfolgreich mit den Pilzgenen ausgestattet. Auch eine Steigerung der Lichtintensität und die Variation der Lichtfarbe halten die Wissenschaftler für möglich. Eine Vermarktung der leuchtenden Pflanzen als Zierpflanzen wird bereits angestrebt.

Verfahren ist auch für die Wissenschaft bedeutsam

Sarkisyan betont, dass das Verfahren vor allem auch für die Wissenschaft von großer Bedeutung ist: „In Zukunft kann diese Technologie verwendet werden, um Aktivitäten verschiedener Hormone innerhalb der Pflanzen während ihrer Entwicklung absolut nicht-invasiv zu visualisieren.“ Das ist beispielsweise möglich, wenn die Pilzgene im Pflanzengenom in der Nähe von Genen einfügen werden, die durch bestimmte Hormone aktiviert werden. Dann würden nur solche Gewebe leuchten, in denen das Hormon aktiv ist.

Das Verfahren könne aber auch bei der Überwachung der Reaktionen von Pflanzen auf verschiedene Belastungen und Veränderungen in der Umwelt helfen, z. B. bei Dürre oder Verletzungen durch Schädlinge.


Quelle:
Mitiouchkina, T. et al. (2020): Plants with genetically encoded autoluminescence. In: Nature Biotechnology, (27. April 2020), doi: 10.1038/s41587-020-0500-9.

Zum Weiterlesen:

Titelbild: Leuchtende Blätter. (Bildquelle: © Planta)