„Virtual Leaf“ enthüllt verborgene Realitäten der Pflanzenphysiologie

Das „virtuelle Blatt“, das die Blattphysiologie in 3D simuliert, verspricht bahnbrechende Erkenntnisse über die Reaktionen von Pflanzen auf Umweltveränderungen und die Verbesserung unserer landwirtschaftlichen Strategien.

By Alun Salt 30. Juni 2023 · 3 Minuten Lesezeit

Quelle: https://www.botany.one/virtual-leaf-unveils-hidden-realities-of-plant-physiology/

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„Virtual Leaf“ enthüllt verborgene Realitäten der Pflanzenphysiologie

Alun Salt

30 Juni 2023 - 3 min gelesen

Auf der Suche nach einem besseren Verständnis des Pflanzenlebens wurde Richard Harwoods jüngste Arbeit veröffentlicht in AoB PLANTS, untersucht das Konzept eines „virtuellen Blattes“. Er nutzt modernste Mikroskopietechniken und Computermodelle, um die Blattphysiologie in drei Dimensionen (3D) zu untersuchen, einen Sprung gegenüber herkömmlichen 2D-Ansätzen.

Das Konzept eines „virtuellen Blattes“ zielt darauf ab, die komplexe Physiologie eines Blattes in einer digitalen Umgebung nachzubilden und so rechnerische Simulationen von Prozessen wie Wasserverdunstung und Kohlendioxid (CO) zu ermöglichen₂) Transport. Diese Simulationen liefern Erkenntnisse darüber, wie die einzigartigen 3D-Strukturen verschiedener Blattgewebe den Kohlenstoff- und Wasseraustausch beeinflussen und letztendlich Prozesse wie Photosynthese und Atmung beeinflussen.

3D-Darstellungen eines Kichererbsenblattes mit Blick auf die Adaxiale (a), von der Seite (b), von der Seite mit dem IAS (c), mit Blick nach oben auf einen substomatalen Hohlraum (d) und eine Mesophyllzelle einer Kichererbse (e) . Quelle: Hartholz 2023.

Harwood untersucht auch die Mesophyllleitfähigkeit in 3D, bei der CO2 von den winzigen Lufträumen in einem Blatt zu den Photosynthesezellen gelangt. Seine Forschung weist darauf hin, dass die Größe, Form und Anordnung der Zellen im Blatt diesen Prozess maßgeblich beeinflussen. Frühere Ansätze gingen von einer gleichmäßigen Verteilung des Kohlendioxids innerhalb des Blattes aus und berücksichtigten dabei nicht die reale Variabilität der Blattstruktur und die komplexen biophysikalischen Eigenschaften.

Ein „virtuelles Blatt“ könnte Forschern dabei helfen, Wassertransportsysteme in Blättern zu visualisieren und sogar die Bewegung von Kohlenstoff und Wasser in einem Blatt in Echtzeit zu verfolgen. Zum Beispiel, Cicer Arietinum Die komplexen Strukturen und Reaktionen von Kichererbsenblättern auf Licht könnten mit dieser Technologie erfasst werden, wodurch ein detaillierteres Verständnis der Pflanzenreaktion auf Umweltveränderungen entsteht.

Wichtig ist, dass Harwood betont, dass ein „virtuelles Blatt“ auch dynamische, zeitliche Veränderungen wie Reaktionen auf Dürre berücksichtigen sollte. Er lobt die Arbeit von Xiao und seinem Team für ihr „eLeaf“-Modell, das er als einen wertvollen Schritt zur Schaffung eines umfassenden „virtuellen Blattes“ ansieht. Er schreibt:

Es ist wichtig, eine fundierte Perspektive zu bewahren, wenn man versucht, physiologische Prozesse, die sich über Jahrtausende entwickelt haben, auf einem Laptop festzuhalten. Daher müssen Forschungsbemühungen, die zur Weiterentwicklung eines „virtuellen Blattes“ beitragen, dahingehend bewertet werden, wie sie unser begrenztes Verständnis der Pflanzenphysiologie verbessern, und nicht, wie sie es versäumen, die komplexe Realität zu erfassen. Xiao et al. (2022) veranschaulichen einen hervorragenden Ansatz zur Erstellung eines „virtuellen Blattes“. Die Autoren verwenden verschiedene Mikroskopiemodalitäten (Mikro-CT, Konfokal- und Transmissionselektronenmikroskopie), um die Blattanatomie in verschiedenen räumlichen Maßstäben zu erfassen. Diese anatomischen Informationen werden dann gebündelt und zur Erstellung einer 3D-Struktur verwendet, die für die Mikroskopie repräsentativ ist. Obwohl es in der Natur immer noch ein wenig „Cartoon“ ähnelt, ist es ein hervorragendes Zugeständnis zwischen 3D-Netzen, die in Modellierungssoftware verwendet werden können, und authentischer 3D-Anatomie. Die Autoren validierten ihre Modellannahmen mit experimentellen Daten und nannten das Endprodukt „eLeaf“.

Xiao et al. (2022) nutzten „eLeaf“, um zu entdecken, dass eine veränderte Blattporosität kaum Einfluss auf die Photosyntheseleistung hatte, was mit den Beobachtungen von übereinstimmt Theroux-Rancourt et al. (2021) dass die Zellgröße viel wichtiger ist als die Porosität. Das ist erwähnenswert Theroux-Rancourt et al. (2021) nutzte anatomische 3D-Daten, um den 2D-CO zu schätzen₂ Diffusion und Xiao et al. (2022) nutzte anatomische 2D-Daten, um die 3D-Diffusion abzuschätzen. Mit der Weiterentwicklung der 3D-Modellierungsansätze werden wir besser verstehen, welcher Detaillierungsgrad zur Beantwortung spezifischer Forschungsfragen erforderlich ist. Fortschritte bei bildgebenden Verfahren und künstlicher Intelligenz als Werkzeug zur Segmentierung (Théroux-Rancourt et al. 2020; Heinrich et al. 2021) führt zu verfeinerten und anatomisch genaueren 3D-Modellen. Während diese 3D-Modelle die Komplexität der Blattphysiologie entschlüsseln, entsteht ein „virtuelles Blatt“, ein leistungsstarkes Werkzeug, das Mikroskopie, Modellierung und experimentelle Daten vereint.

Harwood 2023.