Tracer Technologies

Der Transport und die Verteilung von Molekülen wie Photoassimilaten sind entscheidend für das Überleben und die Leistungsfähigkeit von Pflanzen.

Kurzlebige Radiotracer können der Pflanze nicht-invasiv verabreicht werden, und aufgrund ihrer radioaktiven Eigenschaften können die Radiotracer nicht-invasiv von außerhalb der Pflanze nachgewiesen werden, selbst wenn sie sich tief im Pflanzenkörper oder in im Boden vergrabenen Wurzeln befinden. Dies erlaubt Rückschlüsse auf Transporteigenschaften und aktuelle Verteilungsmuster in der Pflanze. Für den Nachweis von Radiotracern verwenden wir zwei Gruppen von Instrumenten mit unterschiedlichen Vorteilen und Herausforderungen:

Szintillationsdetektoren

Der grundlegende Ansatz besteht aus Szintillationsdetektoren mit nachgeschalteter Elektronik, die entlang eines linearen Transportweges (z. B. Photoassimilate innerhalb eines Stängels) platziert werden und Radioaktivität von einer Quelle zu einer Senke (z. B. 11CO2-markiertes Blatt zu Wurzel) nachweisen. Aus der im Laufe der Zeit gemessenen Radioaktivität können Parameter wie der Verlust entlang des Transportweges und die Fließgeschwindigkeit mithilfe eines mathematischen Modells berechnet werden (Bühler et al., 2014).

Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

PET ermöglicht den Nachweis und die dreidimensionale (3D) Kartierung von Positronen emittierenden Radionukliden (z. B. 11C, 15O, 13N). Das Kohlenstoffisotop 11C ermöglicht die dynamische Charakterisierung des Transports und der Verteilung von Photoassimilaten zur Untersuchung von Entwicklungsveränderungen und der Reaktion von Pflanzen auf Umweltreize (Jahnke et al., 2009, de Schepper et al., 2013). Derzeit sind am IBG-2 drei pflanzenspezifische PET-Systeme in Betrieb (oder werden in Kürze in Betrieb genommen):

PlanTIS (Plant Tomographic Imaging System) ist für kleine Pflanzenproben mit einem maximalen Sichtfeld (FOV) von 65 mm Durchmesser und einer Höhe von 100 mm geeignet (Jahnke et al., 2009; Beer et al., 2010).

phenoPET umfasst die digitale Photonenzählertechnologie der letzten Generation (Streun et al., 2014) und integriert alle Korrekturen zur Quantifizierung der Radioaktivität in 3D. Das System bietet ein FOV von 180 mm im Durchmesser und 190 mm in der Höhe und wird eine viel höhere Nachweisempfindlichkeit als PlanTIS haben.

Mathematische Modellierung für die quantitative Datenanalyse des Tracertransports

Tracer Technologies
Abb. 2 Steps of data analysis of tracer transport experiments: 3D PET images are pre-processed to obtain time series of spatial tracer distribution; different compartmental models are fitted to these data; the best fit is used to characterize the transport properties of the plant.

Daten aus Tracer-Transportexperimenten erfordern in der Regel eine modellbasierte Datenanalyse, um eine quantitative Charakterisierung der Transporteigenschaften zu erhalten. Zu diesem Zweck haben wir kompartimentale Tracer-Transportmodelle entwickelt (Bühler et al. 2014), die axiale Konvektion und Diffusion sowie den Austausch des Tracers zwischen den Kompartimenten beschreiben und durch partielle Differentialgleichungen (PDEs) definiert sind. Abhängig von der spezifischen experimentellen Situation werden verschiedene Modelle zur Anpassung der Daten verwendet. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf einer hocheffizienten Implementierung der numerischen Verfahren zur Lösung der PDEs (Bühler et al. 2017). In unserer Weiterentwicklung konzentrieren wir uns auf die automatisierte Datenverarbeitung und modellbasierte Versuchsplanung von PET-Messungen (Bühler et al. 2018).

Ausgewählte Publikationen


Jahnke, S., Menzel, M.I., Van Dusschoten, D., Roeb, G.W., Bühler, J., Minwuyelet, S., et al. (2009) Combined MRI-PET dissects dynamic changes in plant structures and functions. Plant Journal 59, 634-644. doi: 10.1111/j.1365-313X.2009.03888.x

Beer, S., Streun, M., Hombach, T., Buehler, J., Jahnke, S., Khodaverdi, M., et al. (2010) Design and initial performance of PlanTIS: a high-resolution positron emission tomograph for plants. Physics in Medicine and Biology 55, 635-646. doi: 10.1088/0031-9155/55/3/006.

De Schepper, V., Bühler, J., Thorpe, M., Roeb, G., Huber, G., Van Dusschoten, D., Jahnke, S., Steppe, K. (2013) 11C-PET imaging reveals transport dynamics and sectorial plasticity of oak phloem after girdling. Frontiers in Plant Science 4:200. doi: 10.3389/fpls.2013.00200

Bühler, J. von Lieres. E., Huber, G. (2014) A class of compartmental models for long-distance tracer transport in plants. Journal of Theoretical Biology 341: 131-142.

Bühler, J., Huber, G., von Lieres. E. (2017) Finite volume schemes for the numerical simulation of tracer transport in plants. Mathematical Biosciences 288: 14-20

Bühler, J., von Lieres. E., Huber, G. (2018) Model-based design of long-distance tracer transport experiments in plants. Frontiers in Plant Science 9: 773. doi: 10.3389/fpls.2018.00773

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Letzte Änderung: 20.09.2022