Die Feinstrukturen von pflanzlichen Zellorganen

Das Transmissions Elektronen Mikroskop wird häufig zur 2D Strukturaufklärung von Zellorganellen und deren Feinstrukturen eingesetzt (SMITH & WOOD 1996). Bei herkömmlichen Untersuchungen ist es jedoch nicht möglich vollständige Organellen zu erfassen, da nur mit wenigen Ultradünnschnitten von 80-100 nm Dicke gearbeitet wird, Plastiden (Chloroplasten) aber z. B. eine Länge von 4-8 m aufweisen. Die Chloroplasten und Mitochondrien sind neben dem Zellkern die beiden wichtigsten Zellorganellen, da sie das Reduktionsäquivalent NADPH+H+ bilden bzw. das Energieäquivalent ATP der lebenden Zelle zur Verfügung stellen. Zellorganellen und deren Ultrastruktur können durch verschiedene Faktoren (Stress) beeinträchtigt oder verändert werden (PASTOR et al. 1999, REY et al. 2000). Diesbezüglich sind hauptsächlich Plastiden untersucht worden, da diese Organellen schon frühzeitig Veränderungen/Störungen zeigten. Andere Organellen wie Mitochondrien oder Peroxisomen, die zu den Chloroplasten über den Prozess der sog. Photorespiration eine enge Assoziation zeigen, sind wegen ihrer kleineren Dimensionen (ca. 1m) noch schwieriger mit konventionellen Methoden zu untersuchen. Es ist praktisch nur mit dreidimensionalen Daten möglich, Veränderungen in der Feinstruktur von Organellen sinnvoll festzustellen und in weiterer Folge, Schädigungen von tagesperiodischen Schwankungen zu unterscheiden (PERKTOLD et al.2000). Mit der von uns angewendeten und in einem laufenden Projekt bereits erfolgreich eingesetzten Methode (PERKTOLD et al. 1998, ZELLNIG & PERKTOLD 1999) sind sowohl quantitative Messungen (Flächen und Volumina) als auch 3D Ansichten von vollständigen Organellen realisierbar, die auf der Rekonstruktion von Ultradünnschnitt-Serien beruhen. Dabei können Strukturen gezielt ausgeblendet und die selektierten Strukturen von jeder beliebigen Seite betrachtet werden wodurch genaue Aussagen über die räumliche Architektur möglich sind. Ziel unserer Untersuchungen ist es, Daten über die Organellen von ausgewählten Freilandpflanzen (Spinacia oleracea, Picea abies, Pinus canariensis) zu erhalten. Die Untersuchungen umfassen die Veränderung der Feinstrukturen von Organellen im Laufe des Tages und unter Einwirkung von Stressfaktoren. Zusätzlich werden die Organellen mit ihren Feinstrukturen dreidimensional und in Form von Filmanimationen dargestellt. Die gewonnenen Daten sind für die Pflanzenphysiologie von essentieller Bedeutung, da durch die geplanten Untersuchungen erstmals exakte Daten von vollständigen Organellen von Freilandpflanzen erhoben werden und dadurch eine bessere funktionelle Interpretation physiologischer und biochemischer Daten ermöglicht wird.

Chloroplasten von drei Pflanzenarten aus dem Freiland (Spinat, Fichte und Kiefer) stehen im Mittelpunkt dieses Projektes. Das sind jene Strukturen in den Zellen grüner Blätter, in denen die Photosynthese abläuft. In diesem Prozess wird die Energie der Sonnenstrahlen in chemische Energie in Form von Kohlenhydraten (Stärke) umgewandelt. Zellorganellen (Chloroplasten, Mitochondrien, Peroxisomen) und deren Feinstruktur können durch biotische und abiotische Faktoren beeinträchtigt oder verändert werden. Da die Feinstrukturen der Chloroplasten nur mit dem Transmissions Elektronen Mikroskop (TEM) sichtbar gemacht werden können, werden die Organellen in sehr dünne Schnitte (Ultradünnschnitte) von einem zehntausendstel Millimeter Dicke geschnitten. Bei herkömmlichen Untersuchungen mit dem TEM ist es nicht möglich, vollständige Organellen zu erfassen, da nur mit wenigen Ultradünnschnitten gearbeitet wird, Chloroplasten aber eine Größe von 4-8 m aufweisen. Mit den von uns angewendeten Methoden, die auf der Rekonstruktion von Ultradünnschnittserien beruhen, sind 2D Messungen und 3D Ansichten von Organellen realisierbar. Diese Technik ermöglicht es komplette Chloroplasten dreidimensional darzustellen und deren Feinstrukturen quantitativ zu erfassen. Dadurch können tagesperiodische Schwankungen von Schädigungen, die z. B. durch Trockenstress herbeigeführt werden, unterschieden werden. In den von uns untersuchten Freilandpflanzen konnten deutliche Unterschiede innerhalb der Chloroplasten im Tagesverlauf und unter Stress festgestellt werden. In einer früher durchgeführten Untersuchung an Pflanzen, die unter definierten Bedingungen in Klimakammern gezogen wurden, wurden erstmals die strukturellen Charakteristika von Chloroplasten während des Tagesverlaufs und unter Trockenstress erfasst. Chloroplasten von Freilandspinat zeigten im Vergleich zu Klimakammer-Pflanzen Unterschiede in der Größe, dem Stärkegehalt und der Ausbildung des inneren Membransystems. Trockenstress wirkte sich ebenfalls unterschiedlich bei Freiland- und Klimakammer-Pflanzen aus. Diese Ergebnisse stellen grundlegende Erkenntnisse für künftige Untersuchungen hinsichtlich der Probennahme (Tageszeit) und der Verwendung von Freiland- oder Klimakammer-Pflanzen dar. Unsere Untersuchungen liefern auf einem sehr hohem Auflösungsniveau äußerst detaillierte Informationen über die Architektur und Veränderungen von Feinstrukturen, einschließlich Flächen- und Volumsdaten. Die gewonnenen Daten dienen sowohl der Erfassung struktureller Charakteristika, als auch als Grundlage für eine exakte Interpretation physiologischer und biochemischer Vorgänge.