Door te bepalen hoe verschillende behandelingen en omstandigheden de mechanische eigenschappen van plantencellen beïnvloeden, kunnen wetenschappers de plantengroei op cellulair niveau begrijpen en manieren bedenken om deze te verbeteren. In een doorbraakrapport gepubliceerd in The Plantaardige cel , een team van onderzoekers introduceert een innovatief robotinstrument dat de mechanische eigenschappen van plantencellen meet met cellulaire resolutie.

Plantenwetenschappers hebben een nieuwe tool in hun toolkit. De geautomatiseerde confocale micro-extensometer (ACME) - ontwikkeld door een team van onderzoekers in Europa en de VS - stelt wetenschappers in staat om ruimtelijke variatie in de mechanische eigenschappen van plantencellen te meten met ongekende nauwkeurigheid.

De groei van plantencellen wordt beperkt door de mechanische eigenschappen van de omringende celwand. Men denkt dat celwanden in de groeiende delen van een plant veel meer uitrekbaar (rekbaar) zijn dan die in volwassen delen, en deze lokale verschillen in rekbaarheid van de celwand beïnvloeden de algehele vorm van de plant. Tot nu, het was niet mogelijk om de rekbaarheid van de celwand in de groeirichting van levende planten te meten. Een team van onderzoekers onder leiding van Cris Kuhlemeier van het Instituut voor Plantenwetenschappen aan de Universiteit van Bern in Zwitserland heeft een systeem ontwikkeld dat precies dat doet.

"Intuïtief is de eenvoudigste manier om dit te doen, de plant uit te rekken en te kijken hoeveel elke cel uitrekt, " legt eerste auteur Sarah Robinson uit. Met behulp van dit principe, de onderzoekers hebben een robotpijpleiding in elkaar geflanst die aangepaste en in de handel verkrijgbare onderdelen combineert. Ze ontwierpen een speciaal apparaat dat planten op hun plaats houdt zonder ze te beschadigen en ze vervolgens onder een bepaalde trekkracht uitrekt. Het apparaat, die op een microscoop is gemonteerd, wordt bestuurd door software waarmee de gebruiker de duur en mate van rekken kan specificeren. Hoge resolutie foto's van de plant worden gemaakt tijdens het uitrekken, en op maat gemaakte software gebruikt de afbeeldingen om mechanische eigenschappen in verschillende delen van de fabriek te berekenen. De auteurs noemden het apparaat ACME naar het fictieve bedrijf dat voorkomt in de tekenfilms van Road Runner/Wile E. Coyote, omdat ze werden geïnspireerd door de onvermoeibare inspanningen van Wile E. Coyote. "Dankbaar, uiteindelijk, we hadden meer succes, maar sommige van onze prototypes waren minder elegant en hadden veel plakband nodig, " grapt Sara.

Met behulp van ACME, de auteurs toonden aan dat cellen in de stengels van zaailingen een gradiënt van mechanische eigenschappen vertonen in aanwezigheid van het plantengroeihormoon gibberellinezuur. Verder, ze gebruikten hun veelzijdige systeem om aan te tonen dat rekken onomkeerbare toename van de cellengte in levende plantencellen veroorzaakt, maar dat de toename in cellengte gedeeltelijk wordt teruggedraaid in dode plantenweefsels zodra het uitrekken stopt. Hoewel ACME is gebouwd voor kleine monsters - het exemplaar dat in dit onderzoek werd gebruikt, was een klein onkruid dat bekend staat als zandraket - kan het gemakkelijk worden aangepast voor gebruik met grotere monsters en verschillende beeldvormingssystemen.

Het team heeft alle informatie die nodig is om dit systeem te maken vrij beschikbaar gesteld, zodat plantenwetenschappers in andere laboratoria ACME kunnen gebruiken in hun eigen onderzoek. "ACME heeft veel toepassingen en mogelijkheden voor toekomstig gebruik, " zegt Sarah Robinson. Bijvoorbeeld, dit apparaat kan ons helpen de mechanismen te begrijpen waarmee verschillende inputs en behandelingen de plantengroei op cellulair niveau veranderen. Verder, het kan omstandigheden en behandelingen ophelderen die de uitbreidbaarheid van de plantencelwand bevorderen, en zo de plantengroei op cellulair niveau te verbeteren. Gezien de toenemende vraag naar biomassaproductie, dit is een zeer opwindend vooruitzicht.