Documenteren van de ontwikkeling van plantenorganen

In levende organismen is ontwikkeling een combinatie van meerdere gecoördineerde processen die in de loop van de groei op elkaar inwerken in tijd en ruimte. Eén valse noot in de delicate symfonie kan catastrofale gevolgen hebben. De precieze partituur van deze biologische muziek is echter vaak een mysterie voor wetenschappers. Een oplossing is om geavanceerde microscopietechnieken te gebruiken om orgaangroei in realtime te observeren. De uitdaging is dat dergelijke benaderingen slecht geschikt zijn voor langetermijnmonitoring. Bovendien kunnen ze organen belasten, waardoor de ontwikkeling wordt verstoord.

Om dit probleem aan te pakken, ontwikkelden INRAE-onderzoekers een unieke methode die ze op planten hebben toegepast. Ten eerste, op basis van talloze individuele planten, fotograferen wetenschappers bladeren die de reeks ontwikkelingsstadia vertegenwoordigen. Door gerichte algoritmen toe te passen op deze fotocatalogus, is het mogelijk om aan elk een leeftijd toe te wijzen blad en de ontwikkeling in de tijd reconstrueren. Om hen hierbij te helpen, maken de onderzoekers gebruik van een open-source softwareprogramma, MorphoLeaf, dat ze in 2016 hebben ontwikkeld in samenwerking met ENS de Lyon.

De volgende stap was om de methode te gebruiken om bladontwikkeling in de modelplant Arabidopsis thaliana uitgebreid te documenteren. Gedurende een periode van enkele weken verzamelden wetenschappers bladeren van honderden wildtype en mutante stammen; de laatste had invloed op genetische modificaties bladvorm. Een groot voordeel van deze methode is het gemak van implementatie: er is geen geavanceerde apparatuur voor nodig. Er werd inderdaad een standaardmicroscoop gebruikt om foto's te maken van de eerdere ontwikkelingsstadia (bladgrootte < 0.1 mm), en een flatbed scanner werd gebruikt voor de latere ontwikkelingsstadia (bladgrootte > 1 cm).

https://www.youtube.com/embed/UU2YahNiTpI?color=whiteReconstructing the complete story of leaf development. Credit: INRAE – Jasmine Burguet

De afbeeldingen vertelden een nauwkeurig verhaal over de ontwikkeling van bladeren en verduidelijkten belangrijke punten in ruimte en tijd die in grote mate bijdragen aan de ontwikkeling in het algemeen. De analyse onthulde met name dat wildtype en mutante planten identieke vroege ontwikkelingstrajecten kunnen hebben die vervolgens in specifieke latere stadia uiteenlopen.

Dit gedetailleerde begrip van de ontwikkeling van planten kan toekomstige strategieën vormen voor het optimaliseren van plantengroei. De aanpak van de onderzoekers is uiterst flexibel en kan worden aangepast aan elk orgaantype, ook bij dieren. Het zou dus een waardevol gereedschap in studies die orgaan en organisme trachten te demystificeren ontwikkeling.

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Kwantitatieve plantenbiologie.