Institut für Bio- und Geowissenschaften (IBG)

Pflanzenwissenschaften (IBG-2)

NMR/MRI

Nuclear magnetic resonance (NMR) and Magnetic Resonance Imaging (MRI) - Systeme für nicht-invasive Messungen der Struktur und Funktion von Pflanzen

Unsere MRI-Anlagen sind eine nicht-invasive Modalität, die es ermöglicht, dynamische Veränderungen der strukturellen und funktionellen Merkmale von Pflanzen und Böden unter realistischen Umweltbedingungen zu messen.

Anwendungen unter der Erde

Die MRT ermöglicht die Abbildung von im Boden wachsenden Wurzeln und damit die Analyse der gesamten Wurzelarchitektur in drei Dimensionen (Abb. 1). Die Methode liefert detaillierte Informationen über Wurzelmerkmale wie Masse, Länge, Durchmesser, Anzahl der Spitzen, Verzweigungswinkel, räumliche Verteilung und Wachstumsraten (van Dusschoten et al., 2016). Bei unterirdischen Speicherorganen wie Zuckerrüben können zusätzliche Merkmale wie die innere Struktur oder die Formentwicklung gemessen werden (Metzner et al., 2014). Für den Aufbau der Wurzelbildgebung werden die Pflanzen in der Regel in Röhren mit einem Innendurchmesser von 8,1 cm und einer Höhe von 20-40 cm gezüchtet, während der Pflanzentrieb bis zu 100 cm hoch sein kann. Die Röhren werden von einem Robotersystem gehandhabt, das vollautomatische Langzeitmessreihen von etwa 20 Pflanzen pro Tag ermöglicht. Je nach Anzahl der Messungen pro Pflanze können wir etwa 20-40 Experimente pro Jahr durchführen.

NMR/MRI — Abb. 1 Root growth of a maize plant in soil monitored 6, 9, 12, and 15 days after sowing displayed with MRI (2D maximum intensity projection of MRI data, adapted from van Dusschoten et al. 2016)

Beispiele für Pflanzenarten, bei denen Wurzelmerkmale oder sperrige Organe gemessen werden können, sind Mais, Bohne, Gerste, Weizen, Zuckerrübe oder Kartoffel. Die Wurzelstruktur von Pflanzen mit sehr dünnen Wurzeln wie z. B. Arabidopsis kann nicht gemessen werden. Die Analyse der mit MRI für eine Pflanze pro Topf gesammelten Daten wird durch ein Software-Tool namens NMRooting (van Dusschoten et al., 2016) halbautomatisiert. Darüber hinaus besteht eine hohe Flexibilität bei der Kombination von MRT mit anderen Methoden (z. B. Gasaustausch oder nicht-invasive Überwachung der Wasserverteilung in Pflanzen (Sydoruk et al. 2016).

Mehrere wissenschaftliche Projekte wurden unter Verwendung des oben genannten MRI-Ansatzes an Wurzeln durchgeführt. So beeinflusst beispielsweise die Bodendichte die Länge, den Durchmesser und die Tortuosität der Wurzeln. Es wurde beobachtet, dass sich das Wurzelwachstum bei abnehmender Bodenfeuchtigkeit in die feuchteren und tieferen Teile des Bodens verlagert. Darüber hinaus ermöglichte die Kombination von Wurzelbildgebung mit der Bildgebung des Bodenwassergehalts (mit MRI) und einem geteilten Wurzelsystem die Unterscheidung zwischen der Wasseraufnahme von Samen- und Knotenwurzeln.

Oberirdische Anwendungen

Bei oberirdischen Studien sind typische Anwendungen der Hochfeld-MRT an Pflanzen die quantitative und nicht-invasive Mikrobildgebung von Parametern wie Wassergehalt, Anatomie und Saftfluss. Die typischsten Untersuchungsobjekte sind krautige Pflanzen von bescheidener Größe, aber bei Bedarf können auch große Bäume untersucht werden. Unser größter Imager kann getopfte Bäume bis zu einer Höhe von 4,5 Metern aufnehmen und den Xylem- und Phloem-Saftfluss in Stämmen mit einem Durchmesser von bis zu 8 Zentimetern messen.

Eines der einzigartigsten Merkmale der MRT bei Pflanzen ist, dass sie die direkte Abbildung des Xylem- und Phloem-Saftflusses in der lebenden Pflanze ermöglicht. Zu den jüngsten Anwendungen der MRT-Mikrobildgebung und der MRT-Strömungsbildgebung in unserem Labor gehören die Bildgebung der Xylem-Kavitation in Traubenstämmen und -stielen (Hochberg et al. 2016), die Auswirkungen der Entkernung auf die Xylem-Integrität des Tomatenstiels (Van der Wal et al., 2017) oder die Dynamik des Phloemsaftflusses in Gymnospermen (Liesche et al., 2015). Ein Beispiel für die MRT-Mikrobildgebung ist eine Studie an Eichen, in der die quantitative Mikrobildgebung erfolgreich eingesetzt wurde, um Änderungen des Stammdurchmessers, die mit herkömmlichen Punktdendrometern gemessen wurden, mit Änderungen des Stammwassergehalts zu verknüpfen.

Mobile NMR-Sensoren

NMR und MRT sind insofern einzigartig, als sie es ermöglichen, das Vorhandensein und die Bewegung von Wasser quantitativ und nicht-invasiv zu messen. Leider sind herkömmliche NMR- und MRT-Geräte in der Regel groß, teuer und nur für den Einsatz in einer Laborumgebung geeignet. Die Pflanzen müssen dann zum Scanner gebracht werden, und nicht andersherum.

Um die NMR-Technologie in die Praxis zu bringen, haben wir neuartige, kleine, tragbare NMR-Geräte entwickelt, die wie Sensoren verwendet werden können (Windt und Blümler, 2015). In ihrer einfachsten Form bestehen solche NMR-Sensoren aus verkleinerten Permanentmagneten. Sie können fast wie ein Dendrometer verwendet werden, um dynamische Änderungen des absoluten Wassergehalts von Früchten, Blättern oder Stängeln zu messen (Lechthaler et al., 2016). Durch den Einsatz grundlegender NMR-Relaxometrie können die Informationen, die aus diesen kleinen NMR-Sensoren gewonnen werden können, erweitert werden, so dass auch Änderungen des Trockensubstanzgehalts sofort und nicht-invasiv gemessen werden können. Auf diese Weise kann die Entwicklung des Ertrags (Trockensubstanzdeposition) in Endorganen wie Bohnenschoten überwacht werden, wenn gewünscht über einen Zeitraum von mehreren Wochen, ohne dass die Pflanze geerntet werden muss (Abb. 2).

Darüber hinaus arbeiten wir daran, mobile NMR-Imager in kleinem Maßstab zu entwickeln. Unsere Imager basieren auf denselben mobilen Dauermagneten, die auch für die NMR-Sensoren verwendet werden, sind jedoch mit Bildgebungsgradienten und mobilen, batteriebetriebenen Verstärkern zu deren Steuerung ausgestattet. Die mobile Bildgebung von Pflanzen steckt noch in den Kinderschuhen, aber Prototypen haben bereits gezeigt, dass sie in der Lage sind, MRI mit niedriger Auflösung sowie 1D-Xylem-Saftfluss-Velocimetrie durchzuführen (Windt und Blümler, 2015).

Das 4.7-Tesla-System

Wide-bore, 310 mm magnet, equipped with a 300 mT/m 210 mm wide gradient system. Different r.f. coils available.

63 mm quad birdcage
104 mm quad birdcage
170 mm quad birdcage
40 mm openable birdcage
small r.f. coils manufactured locally
Heavy objects up to 500 kg can be lifted into the magnet using a crane. Objects up to 200 kg can be positioned with a computer-controlled positioning system for repetitive studies with an accuracy of about 20 µm.
environmental control systems complete the system.

1.5 T MRI am IBG-2: Pflanzenwissenschaften

The split coil magnet is unique in its kind. It is equiped with 50 mT/m 380 mm and 800 mT/m 120 mm planar gradient sets. Different r.f. coils are available

63 mm solenoid
140 mm solenoid
several home-build splittable/wrappable solenoids
Heavy objects, like trees with large pots/containers can be lowered into a pit a 2 meters deep. Objects up to 5 meter can be measured.

Ausgewählte Publikationen

Metzner, R., van Dusschoten, D., Bühler, J., Schurr, U., Jahnke, S., 2014 Belowground plant development measured with magnetic resonance imaging (MRI): exploiting the potential for non-invasive trait quantification using sugar beet as a proxy. Frontiers in Plant Science

Liesche J, Windt C, Bohr T, Schulz A, Jensen KH (2015) Slower phloem transport in gymnosperm trees can be attributed to higher sieve element resistance. Tree Physiology 35: 376-386.

Windt CW and Blümler P (2015) A portable NMR sensor to measure dynamic changes in the amount of water in living stems or fruit and its potential to measure sap flow. Tree Physiology 35: 366-375.

Sydoruk, V.A., Fiorani, F., Jahnke, S., Krause, H.J., 2016 Design and Characterization of Microwave Cavity Resonators for Noninvasive Monitoring of Plant Water Distribution. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 64, 2894-2904.

Hochberg, U., Albuquerque, C., Rachmilevitch, S., Cochard, H., David-Schwartz, R., Brodersen, C.R., McElrone, A., Windt, C.W., 2016 Grapevine petioles are more sensitive to drought induced embolism than stems: evidence from in vivo MRI and microcomputed tomography observations of hydraulic vulnerability segmentation. Plant, Cell & Environment 39, 1886-1894.

Lechthaler S., Robert EMR, Tonné N, Prusova A, Gerkema E, Van As H, Koedam N, Windt CW (2016) Rhizophoraceae mangrove saplings use hypocotyl and leaf water storage capacity to cope with soil water salinity changes. Frontiers in Plant Science 7.

van Dusschoten, D., Metzner, R., Kochs, J., Postma, J.A., Pflugfelder, D., Buehler, J., Schurr, U., Jahnke, S., 2016 Quantitative 3D Analysis of Plant Roots growing in Soil using Magnetic Resonance Imaging. Plant Physiology.

van de Wal BAE, Windt CW, Leroux O, Steppe K (2017) Heat girdling does not affect xylem integrity: an in vivo magnetic resonance imaging study in the tomato peduncle. New Phytologist: in press