When a car’s tank is empty, it will stop dead. This is also true for living organisms – only they use adenosine triphosphate (ATP) in stead of diesel or petrol. ATP is a molecule that provides energy universally and directly. This principle works equally in humans, animals and plants: no life, no growth, no development without ATP. “Our work makes this energy carrier visible,” says Dr. Markus Schwarzländer, head of the Emmy-Noether Group at the Institute of Crop Science and Resource Conservation (INRES), University of Bonn. “In living plants, in fact – from the smallest cell organelle up to the complete seedling,” adds his colleague Dr. Stephan Wagner.

The ATP content of living seedlings is different: from high concentrations (red) to low concentrations (blue). (c) Stephan Wagner

Led by the two INRES biochemists, scientists from Germany, Italy, China, England and Denmark have developed an innovative way of visualizing ATP in the living plant aided by a fluorescent protein. The team used a method developed by Takeharu Nagai from Osaka in Japan, in which ATP binds to a fluorescent protein from a jellyfish. The Japanese researchers had originally used this technique in mammals, and the researchers at the University of Bonn have now optimized it for use in plants. “This method makes it possible to track where and how much ATP is present in the living plants in real time,” says lead author Valentina De Col from the University of Udine (Italy), who completed a research visit at INRES as part of her PhD studies.

From the smallest cell organelle up to the whole plant

The universal energy carrier ATP is well researched. Yet, most past studies had been limited to snapshots. Whole plants or plant parts were ground up before ATP could be quantified. “That is similar to dismantlinge a car in order to understand how it works by looking at the individual parts,” says Schwarzländer. “In contrast, our methodology allows watching the running machine at work.” The “machines” are seedlings of the model plant Arabidopsis thaliana. The researchers were able to investigate tiny cell organelles, such as the cellular powerhouses (mitochondria), as well as entire organs, such as roots and even whole seedlings, under the microscope and with a fluorescence analyzer.

Guidance for breeding of new crop varieties

The “plant cinema” showed the distribution of cellular fuel in real time. “With a normal supply of water, air and light, there is less ATP in the roots than, for example, in the green leaves,” reports Wagner. Clearly, more of the energy carrier is generated at the places where sunlight is transformed into chemical energy. But how does ATP react in plants under stress? To address this question, the researchers placed the glowing Arabidopsis seedlings under water to cut them off from their vital oxygen supply.

“This did not inhibit ATP production immediately. ATP contents declined stepwise instead,” reports Schwarzländer. Different acclimation processes appear to be activated by the plant in an attempt to protect itself against progressing oxygen shortage and to maintain its energy balance. “A crucial question is now whether these protective programs can be stimulated to breed plant varieties that cope better with stress”, says Schwarzländer when asked about the opportunities that the new methodology opens for future research. Making use of the innovative method may further allow novel insights into how pathogens intervene in the plant energy metabolism and how the relationship between roots and specific fungi, called mycorrhiza, works in detail, to provide mutual benefit for both organisms.

Publication: ATP sensing in living plant cells reveals tissue gradients and stress dynamics of energy physiology, Journal “eLIFE”, Internet:  https://doi.org/10.7554/eLife.26770

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“Pflanzenkino” zeigt den Fluss der Energie

Ohne Sprit läuft nichts: Auch Pflanzen sind für Wachstum und Entwicklung auf Treibstoff angewiesen. In Lebewesen handelt es sich dabei um den universellen Energieträger Adenosintriphosphat (ATP). Ein internationales Forscherteam unter Federführung der Universität Bonn zeigt an lebenden Keimlingen, wie sich ATP in den unterschiedlichen Pflanzenteilen verhält und welchen Einfluss Stress darauf hat. Die Ergebnisse könnten potenziell Hinweise für die Züchtung resistenterer Sorten geben. Dieses „Pflanzenkino in Echtzeit“ stellt nun das Journal “eLIFE” vor.

Wenn bei einem Auto der Tank leer ist, bewegt es sich keinen Meter mehr. Genauso ergeht es Lebewesen – nur das sie nicht etwa Diesel oder Benzin brauchen, sondern Adenosintriphosphat (ATP). Dabei handelt es sich um ein chemisches Molekül, das universell und unmittelbar Energie bereitstellt. Dieses Prinzip funktioniert bei Menschen, Tieren und Pflanzen gleichermaßen: kein Leben, kein Wachstum, keine Entwicklung ohne ATP. „Unsere Arbeit macht diese Energie sichtbar“, sagt Dr. Markus Schwarzländer, Leiter einer Emmy-Noether-Gruppe am Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES) der Universität Bonn. „Und zwar in lebenden Pflanzen – vom kleinsten Zellorganell bis zum kompletten Keimling“, ergänzt sein Kollege Dr. Stephan Wagner.

Unter Federführung der beiden Biochemiker haben Wissenschaftler aus Deutschland, Italien, China, England und Dänemark einen innovativen Weg entwickelt, ATP im lebenden Organismus mit Hilfe eines fluoreszierenden Proteins sichtbar zu machen. Hierfür nutzte das Team die Methode von Takeharu Nagai aus Osaka in Japan, mit der ATP an ein fluoreszierendes Protein einer Qualle bindet. Die japanischen Wissenschaftler haben diese Technik ursprünglich in Säugetieren entwickelt, die Forscher der Universität Bonn haben sie nun für die Nutzung an Pflanzen angepasst. „Mit dieser Technologie wird es möglich, in Echtzeit zu verfolgen, wo wieviel ATP in lebenden Pflanzen vorliegt“, sagt Erstautorin Valentina De Col von der Universität Udine (Italien), die am INRES einen Forschungsaufenthalt im Rahmen ihrer Promotion absolviert hat.

Vom kleinsten Zellorganell bis zur ganzen Pflanze

Der universelle Energieträger ATP gilt als gut erforscht, allerdings handelte es sich bei den bisherigen Untersuchungen weitgehend um Momentaufnahmen. Ganze Pflanzen oder Teile davon wurden pulverisiert und darin die Menge an ATP bestimmt. „Das ist, wie wenn man ein Auto komplett zerlegt und anhand der einzelnen Teile nachvollziehen will, wie es funktioniert“, zieht Schwarzländer einen Vergleich. „Dagegen sieht man mit unserer Technologie der laufenden Maschine bei der Arbeit zu.“ Die „Maschine“ sind Keimlinge der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). Die Wissenschaftler untersuchten mit ihrer Methode winzige Arabidopsis-Organellen wie etwa die Zellkraftwerke (Mitochondrien), genauso aber Organe wie Wurzeln oder sogar ganze Keimlinge am Mikroskop und mit einem Fluoreszenz-Analysegerät.

Anhaltspunkte für neue Züchtungen

Das „Pflanzenkino“ zeigte in Echtzeit die Verteilung der Energie. „Bei normaler Versorgung mit Wasser, Luft und Licht liegt in den Wurzeln weniger ATP vor als zum Beispiel in den grünen Blättern“, berichtet Wagner. Offenbar bilden sich an den Stätten der Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie auch mehr von den Energieträgern. Aber wie reagiert das ATP in Pflanzen unter Stress? Um diese Frage zu beantworten, setzten die Wissenschaftler die leuchtenden Arabidopsis-Keimlinge unter Wasser und schnitten sie damit von der lebenswichtigen Sauerstoffzufuhr ab.

„Dadurch kam die Produktion von ATP nicht sofort zum Erliegen, sondern verringerte sich stufenweise“, berichtet Schwarzländer. Es muss also unterschiedliche Anpassungsprozesse geben, mit der die Pflanze versucht, sich gegen den zunehmenden Sauerstoffmangel zu wappnen und ihren Energiehaushalt aufrecht zu erhalten. „Eine entscheidende Frage ist nun, ob sich diese Schutzprogramme stimulieren lassen, um neue Pflanzensorten zu züchten, die besser mit Stress zurechtkommen“, verweist Schwarzländer auf die Chancen der neuen Technologie für weitergehende Forschungsarbeiten. Mit der innovativen Methode ließe sich absehbar zum Beispiel auch untersuchen, wie Krankheitserreger in den Energiehaushalt von Pflanzen eingreifen und wie die Wohngemeinschaft zwischen Wurzeln und bestimmten Pilzen (Mykorrhiza) zum gegenseitigen Nutzen genau funktioniert.

Publikation: ATP sensing in living plant cells reveals tissue gradients and stress dynamics of energy physiology, Journal “eLIFE”, Internet: https://doi.org/10.7554/eLife.26770