Die Physik des Pflanzenwachstums verstehen

Es ist wichtig zu verstehen, wie Pflanzen wachsen und wie sie während des Wachstums mit ihrer Umwelt interagieren. Wenn die Prinzipien des Pflanzenzellwachstums auf der zellulären Ebene bekannt sind, können sie als Grundlage zur Erstellung weiterer Wachstumsmodelle anderer Gewebe und Organe dienen. Ausserdem können bestimmte Zellwandveränderungen, die ein effizienteres Wachstum der Pflanze unterstützen, vor allem im Bereich der Biotreibstoffproduktion, von ökonomischer Bedeutung sein.

Ein ausgedehntes Zellwachstum bildet den Grundstein der Morphogenese. Dazu gehören Grössen- und Formveränderungen der Zellen. Diese Veränderungen sind nur dank der Zusammenarbeit zweier mechanischer Prozesse möglich: Einerseits die Deformation existierender Zellwände und andererseits die Sekretion und Ablagerung neuen Wandmaterials. Die Dynamik des Wachstumsprozesses und die endgültige Zellgrösse und -form werden durch das sich verändernde mechanische Verhalten der Zellwand kontrolliert.

Experimente und Modelle

Das RTD Projekt MecanX konzentriert sich auf die Entwicklung eines präzisen, physikalisch abgestützten Modells der Pflanzenzellmorphogenese. Zwei kürzlich entwickelte Kraftmikroskop-Systeme liefern dabei weitere mechanophysikalische Informationen: das zelluläre Kraftmikroskop (cellular force microscope, CFM) und das Multifrequenz Rasterkraftmikroskopsystem (multi-frequency atomic force microscope, MF-AFM). Die drei folgenden Aspekte sind wesentliche Bestandteile dieser Modelle: das Messen der Wirkungen der biochemischen Prozesse auf die mechanophysikalischen Eigenschaften der Zellwand, das zelluläre Messen des mechanischen Stresses und die physiologischen Reaktionen auf externe Reize.

Vier Unterprojekte

Jedes der vier MecanX Unterprojekte konzentriert sich auf klar umschriebene biologische Fragestellungen, um die Verbreitung und weitere Nutzung sowohl im Forschungs- als auch Wirtschaftsbereich voranzutreiben.
Das Unterprojekt 1 untersucht die Beziehungen zwischen biochemischen und mechanophysikalischen Eigenschaften der Zellwand der Pollenschläuche von Arabidopsis.
Das Verständnis dieser Eigenschaften – sowohl auf der numerischen wie auch auf der analytischen Ebene - wird die Formulierung der mathematischen Strukturen vereinfachen, die im Unterprojekt 2 entwickelt werden sollen.
Damit die Modelle stimmen, braucht es neue Methoden der Datengewinnung. Diese werden im  Unterprojekt 3 beschrieben.
Unterprojekt 4 setzt die Modelle effizient ein, um die durch äusseren mechanischen Stress hervorgerufenen Veränderungen des Pflanzenwachstums einfach in silico untersucht und experimentell nachgewiesen werden können.

Stand: Juni 2013