FORSCHERHEFT #2 3D- Mikroskopie. Zurich Basel Plant Science Center EXPERIMENTE LABORBESUCHE REFLEXION SELBER- FORSCHEN

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1 Zurich Basel Plant Science Center FORSCHERHEFT #2 3D- EXPERIMENTE LABORBESUCHE REFLEXION SELBER- FORSCHEN Mikroskopie 1 Klimawandel 2 3 Pflanzenzucht 4 Genomische Evolution 5 Metabolismus 6 Big Data 7 Biodünger

2 EINFÜHRUNG In diesem Workshop wirst du eine kurze Einführung in die bekommen. Von Keimlingen von Arabidopsis thaliana (Acker-Schmalwand) wirst du einzelne Präparate herstellen und unter dem Konfokalmikroskop betrachten. In diesen Keimlingen sind verschiedenen Zellkompartimente, wie z.b. die Membran, der Zellkern, die Mitochondrien, die Chloroplasten, der Golgi-Apparat und das Endoplasmatische Retikulum mit fluoreszierenden Proteinen markiert. Dadurch werden die Zellkompartimente besser sichtbar gemacht. Mit Hilfe einer Software für die Bildanalyse wirst du die Konfokalbilder in eine dreidimensionale (3D) Darstellung umwandeln. Dr. Célia Baroux von der Universität Zürich verwendet diese Software in ihrer Forschung. Zusammen mit ihr, hast du die Möglichkeit zu entdecken, wo in der Pflanzenforschung die wichtig ist. Alle Wissenschaftler haben ein Notizbuch - Das ist dein FORSCHER- HEFT für den Workshop:. Du kannst es benutzen, um Notizen zu machen, zu zeichnen oder einfach nur, um hineinzukritzeln. Wir empfehlen, dass du deine Beobachtungen und Fragen notierst. Es ist dein Arbeitsbuch. Denken und Kreativ sein - es darf chaotisch sein! Vorwissen: Prinzipien der Mikroskopie Was ist Fluoreszenz? Klassische versus Konfokalmikroskopie Bestandteile und Funktionen einer Pflanzenzelle Kenntnisse über Agrobakterium und horizontalen Gentransfer (wird im Workshop noch einmal wiederholt) 2

3 ÜBERSICHT 3D-Aufnahme einer Schliesszelle (Stomata) Zellmembran 5 um Chloroplasten Zellkern Keimling (13 Tage alt) von Arabidopsis thaliana 1mm Abbildung verändert nach: Dhondt S, Vanhaeren H, Van Loo D, Cnudde V, Inzé D: Plant structure visualization by high-resolution X-ray computed tomography. Trends in Plant Science 2010, 15:

4 EXPERIMENT Was für Zelltypen kannst du erkennen? Zeichne 4

5 EXPERIMENT Haben alle Pflanzenzellen Chloroplasten? Zähle die Anzahl von Chloroplasten in einer Zelle. Gibt es Unterschiede zwischen den Geweben? Notiere 5

6 EXPERIMENT Wie gross ist das Volumen des Zellkerns? Notiere... Wie sieht das Chromatin aus? Beschreibe... 6

7 EXPERIMENT Die Pflanzen passen sich an die Umgebung an. Suche und beschreibe die Stomata. Ist die Pflanze im hellen oder dunklen Raum gewesen? Untersuche die Blatthaare (Trichome). Beschreibe ihre Formen. Für welchen Zweck dienen sie der Pflanze? 7

8 REFLEXION Reflektiere wie Entwicklungen von Abbildungstechniken zu neuen Entdeckungen in den Pflanzenwissenschaften führen können. Notiere drei Hypothesen:?? Mögliche weitere Fragen: 8

9 SELBER-FORSCHEN In diesem Workshop hattest du die Möglichkeit, die 3D-Software kennenzulernen. Die Software werden wir dir weiterhin zur Verfügung stellen. In der Klasse oder allein kannst du sie nutzen, um eigene Fragen zu Pflanzenzellen zu beantworten. Vielleicht hast du Fragen, die du während des Workshops nicht beantworten konntest. Sei neugierig und teste die Software überlege dir, was du über Struktur und Funktion von Pflanzenzellen mit Hilfe der Software lernen kannst. Denk daran, dass die meisten wissenschaftlichen Entdeckungen von Forschenden beim Herumspielen mit coolen Tools gemacht wurden. Und natürlich durch das Formulieren der richtigen Fragen... Viel Spass beim Entdecken und Fragenstellen! IMARIS SceneViewer 9

10 HINTERGRUND Relevanz in Wissenschaft & Gesellschaft In den letzten Jahren, ist die Auflösung von Bildaufnahmen in der Konfokalmikroskopie immer besser geworden. Heute können Gene und kleinste Zellmoleküle wie z.b. Metabolite sichtbar gemacht werden. Dank neuer Software- Technologien können nun auch dreidimensionale (3D) Rekonstruktionen von Bildaufnahmen gemacht werden. Dies ermöglicht uns Forschenden in bisher verborgende Welten einzutauchen. Durch die räumlichen Darstellungen verstehen wir z.b. besser, wie komplexe DNA-Protein-Strukturen aufgebaut sind. Wir benutzen 3D-Rekonstruktionen aber auch, um zu untersuchen, wie sich Pflanzenzellen teilen und entwickeln. Ein Beispiel: Genetisch identische Pflanzen, z.b. Stecklinge, entwickeln völlig verschiedene Wuchsformen, wenn sie an unterschiedlichen Standorten wachsen. Pflanzen besitzen die faszinierende Eigenschaft, dass aus einer Zelle sich ganz unterschiedliche Zelltypen und Zellgewebe entwickeln können. Das macht Sinn, da Pflanzen sich nicht bewegen können und daher spezielle Mechanismen entwickeln müssen, um sich an ihren Standort anzupassen. Molekularbiologische Analysen ergaben, dass je nach Standort unterschiedliche Gene aktiviert (transkribiert) werden. Die Umgebung hat also einen Einfluss auf die Aktivität der Pflanzengene. In der Pflanzenphysiologie ist dieses Phänomen seit längerem bekannt. Der Phänotyp, also das Aussehen einer Pflanze, wird durch die Erbanlagen (Gene) der Pflanze bestimmt, aber auch durch Umweltfaktoren. Unbekannt war jedoch, wie und warum unterschiedliche Gene aktiviert werden. Mit Hilfe von konfokalen Bildaufnahmen und 3D-Rekonstruktionen konnten Forschende zeigen, dass Licht oder andere Signale aus der Umwelt, die Position von Genen im Zellkern verändern. Die Position aber auch die Art wie Gene in der DNA verpackt sind, beeinflusst deren Transkriptionsrate. Ist die DNA weniger dicht verpackt, sind die Gene für den RNA-Polymerase-Proteinkomplex leichter zugänglich. Forschende wie Célia Baroux versuchen herauszufinden, wie die Gene letztendlich verpackt werden und welche Signale und Proteine dabei wichtig sind. Célia weiss inzwischen, dass Proteine (sogenannte Histone) bei der Verpackung der DNA eine wichtige Rolle spielen. Um die Histone in der Zelle sichtbar zu machen, markiert Célia diese mit fluoreszierenden Farbstoffen. Mit Hilfe von konfokalen Bildaufnahmen und 3D-Rekonstruktionen kann sie die Bewegung von diesen Proteinen in intakten Pflanzenzellen verfolgen und so Rückschlüsse auf ihre Funktion zu ziehen. In Zukunft werden Forschende in der Lage sein, 4D-Rekonstruktionen zu machen. Im Vergleich zu 3D-Rekonstruktionen kommt hier noch eine zeitliche Komponente dazu. Diese erlaubt die Entwicklungsprozesse oder die physiologischen Änderungen bei den Pflanzen live zu beobachten und quantitativ zu messen. Die rasante Entwicklung der Bildrekonstruktionen ist nicht nur für die Pflanzenwissenschaften von Bedeutung. Sie haben neue Perspektiven in der medizinischen Gewebegeneration eröffnet. Das Verständnis über Zelldifferenzierungen und den Aufbau von Geweben, hilft den Forschern geschädigtes Gewebe in Funktion und Struktur wiederherzustellen. Vielleicht können wir eines Tages aus einer einzigen Zelle ein neues Gewebe für Haut- oder Organtransplantationen generieren. Glossary A-Z Chromatin Chromatin ist das Material, aus dem die Chromosomen bestehen. Es handelt sich um einen Komplex aus DNA und speziellen Proteinen von denen wiederum etwa die Hälfte Histone sind. Histone Histone sind Proteine, die als Bestandteile des Chromatins für die Verpackung der DNA zuständig sind. Phänotyp Der Phänotyp beschreibt das morphologische Aussehen, die Physiologie oder das Verhalten eines Individuums. Der Phänotyp wird durch das Zusammenwirken von Erbanlagen und Umweltfaktoren bestimmt. Die Fähigkeit auf Umwelteinflüsse zu reagieren, ist genetisch festgelegt. Plastizität Plastizität ist die Eigenschaft einzelner Zellen sich in Abhängigkeit ihrer Nutzung zu verändern. Transkription Bei der Transkription wird DNA durch den RNA-Polymerase Proteinkomplex zu messenger RNA (mrna) umgeschrieben und aus dem Zellkern in das Cytoplasma zu den Ribosomen (Ort der Proteinbiosynthese) transportiert. Zytogenetik Die Zytogenetik ist ein Teilgebiet der Genetik. Untersucht werden Anzahl, Gestalt, Struktur und Funktion der Chromosomen. Die DNA eines Chromosomensatzes im Zellkern enthält den größten Teil der Erbinformation eines Lebewesens. Anomalien der Chromosomen versucht man mit phänotypischen Auswirkung zu verbinden. Die Untersuchungen erfolgen meistens mit einem Mikroskop. 10

11 FORSCHERPORTRÄT Célia Baroux Molekulare Zellbiologin Célia und ihre Forschungsgruppe untersucht die Funktion und den Aufbau vom Zellkern. Vor allem interessiert sie, welche Bestandteile des Zellkerns bei der Entwicklung von Pflanzen eine wichtige Rolle spielen. Dazu gehört zum Beispiel das Chromatin, ein DNA-Protein Komplex, welcher bei der Zellteilung verschiedene Formen annimmt. Célia verwendet verschiedenste molekulare und zytogenetische Techniken für ihre Studien. Sie ist eine der ersten Wissenschaftlerinnen, welche in der Lage ist quantitative und hochauflösende 3D-Analysen innerhalb ganzer Pflanzengewebe zu machen. Diese spezielle Technik erlaubt ihr völlig neue Einblicke in die Organisation des Zellkerns und dessen Funktion zu bekommen. In einem vom Schweizerischen Nationalfonds geförderten Forschungsprojekt (31003A_149974) untersucht Célia die Funktion von sogenannten Histonen. Histone sind Proteine, die als Bestandteile des Chromatins für die Verpackung der DNA während der Zellteilung zuständig sind. Die Mechanismen, die diesen Strukturveränderungen zu Grunde liegen, sind bislang nur wenig verstanden. Forschende wie Célia vermuten, dass in der Art und Weise wie die DNA verpackt wird, die Information für zukünftige Zelldifferenzierungen kodiert wird. Man spricht auch von dem Gehirn der Pflanzenzelle. Célia hat eine Methode entwickelt, mit der sie die Geschwindigkeit der Chromosomenverpackung während der Teilung lebender Zellen bestimmen kann. Je nachdem, welche Histone wo und in welcher Menge in Aktion treten, verändert sich die Kompaktierung und somit das Schicksal der Zelle. Für Pflanzenzellen ist diese Flexibilität die Grundlage für ihre Anpassungsfähigkeit an sich verändernde Umweltbedingungen. Forschungsprojekte Link zu ihren spektakulären Videoaufnahmen: Q+A WIE BIST DU ZU DEINEM FORSCHUNGSGEBIET GEKOMMEN? Ich habe Zellbiologie und Immunologie studiert und war vom Mikroskopieren schon immer begeistert. Ich habe schnell gemerkt, das mich der Zellkern am meisten interessiert. Es fasziniert mich zu sehen, dass er wie ein Orchesterdirigent über die Gestalt und Entwicklung der Zelle waltet. Ebenso faszinierend für mich ist die pflanzliche Zellplastizität. Aus einer einzigen Zelle können die unterschliedlichsten Pflanzen entstehen. WAS SIND DIE WICHTIGESTEN VORAUSSETZUNGEN FÜR DEINEN BERUF? Du musst es mögen, Fragen zu stellen und Probleme zu lösen. Kreativität und Neugierde sind die Quelle für die Forschung. Zu einer Karriere in der Wissenschaft gehört aber auch, dass man aus Fehlern lernt. Die meisten Erkenntnisse werden aus Experimenten gewonnen, die nicht so verlaufen, wie man sie geplant hat. Du musst für verschiedene Lösungen offen bleiben. Vielleicht liegt gerade im Verborgenen die grosse Entdeckung. Wichtig ist heute auch die internationale Zusammenarbeit. Viele Wissenschaftler forschen im Laufe ihrer Karriere in verschiedenen Ländern. Dabei ist eine gute Kommunikation wichtig. Als Wissenschaftler solltest du in der Lage sein, deine Arbeit ganz unterschiedlichen Menschen zu präsentieren. Damit meine ich nicht nur die Bevölkerung, sondern auch innerhalb des Forschungsteam. Forschung heute - ist multidisziplinär. WAS SIND DIE NÄCHSTEN HERAUSFORDERUNGEN? Das ist die Suche nach der Ursache. Was war zuerst da, das Huhn oder das Ei? Diese Frage wird uns noch lange beschäftigen. Ich persönlich möchte verstehen, wie strukturelle Veränderungen im Zellkern die Entwicklung der Zellen bestimmen. Also auch hier, was kommt zuerst: bestimmt die Struktur die Zellentwicklung oder bestimmt die Zellentwicklung die Struktur? 11

12 Das Zurich-Basel Plant Science Center ist ein Kompetenzzentrum für Pflanzenwissenschaften der drei Hochschulen ETH Zürich, Universität Zürich und Universität Basel. Es umfasst momentan 32 Forschungsgruppen mit rund 600 MitarbeiterInnen. Das Zentrum fördert sowohl Grundlagenforschung, wie auch angewandte Forschung in den vielseitigen Disziplinen der Pflanzenwissenschaften. Das Zurich-Basel Plant Science Center bietet zudem ein breites Angebot an Workshops, Exkursionen und Freizeitaktivitäten für Lehrer, Familien, Schulklassen und interessierte Personen an, mit der Möglichkeit, Pflanzenforschung zu erleben und mit WissenschaftlerInnen vor Ort zu diskutieren. Aktuelle Angebote finden sie auf: plantsciences.ch/outreach Die PSC Discovery Workshops werden unterstützt vom Schweizerischen Nationalfonds. Agora Grant Nr : PSC Discovery Programm für Jugendliche. Partner ETH MINT Lernzentrum Zurich-Basel Plant Science Center PSC Discovery Workshops: 3D-Mikrokopie, 2015 Herausgeber Zurich-Basel Plant Science Center Geschäftstelle, ETH Zürich, LFW B51 Universitätstrasse Zürich, Schweiz info-plantscience@ethz.ch AutorInnen Célia Baroux, Carole Rapo, Juanita Schläpfer, Patrick Faller, Melanie Paschke, Manuela Dahinden Layout Fabian Leuenberger Druck Heller Druck AG, Zürich Auflage 1. Auflage 2015, 30 Stück ISBN PDF-Download plantsciences.ch/outreach/atschool.html