Pflanzenzellen mit 3D-Bildern analysieren

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Mit einem neuen Bildverarbeitungsprogramm ist es möglich, Pflanzenzellen dreidimensional im Detail darzustellen und zu analysieren. An der Entwicklung der als Open-Source-Anwendung konzipierten Software PlantSeg haben Biowissenschaftler und Informatiker der Universität Heidelberg mitgewirkt. Sie basiert auf Methoden des maschinellen Lernens und kann eingesetzt werden, um den Prozess der Morphogenese - die Herausbildung der Gestalt von Pflanzen - auf zellulärer Ebene zu untersuchen. Dadurch erhoffen sich die Wissenschaftler ein besseres Verständnis entwicklungsbiologischer Prozesse wie zum Beispiel der Artenbildung. Die Forschungsergebnisse sind im Fachmagazin ,,eLife Sciences" erschienen.

,,Um untersuchen zu können, wie sich die Organe von Pflanzen, etwa Blätter, Blüten oder Wurzeln, herausbilden, müssen einzelne Zellen abgebildet und ihre Entwicklung über die Zeit dargestellt werden", erläutert Alexis Maizel vom Centre for Organismal Studies der Universität Heidelberg. Diese Analyse wurde bislang hauptsächlich zweidimensional durchgeführt, etwa durch Querschnitte. ,,Diese erlauben jedoch nur partielle und damit leider oft auch falsche Einblicke in den Prozess der Morphogenese", so Prof. Maizel. Die neu entwickelte Software PlantSeg ermöglicht es den Wissenschaftlern nun, Zellen mit computergestützten Analysemethoden im dreidimensionalen Raum abzubilden und auch unregelmäßig geformte Zellen zuverlässig voneinander zu unterscheiden.

Damit PlantSeg in der Lage ist, Abweichungen von Zellen in Form und Größe zu erfassen und zu interpretieren, trainierten die Wissenschaftler die Software mithilfe von Mikroskopaufnahmen der Fortpflanzungsorgane und Wurzeln des Pflanzenmodells Arabidopsis thaliana, der Ackerschmalwand. Die Heidelberger Forscher entwarfen in Zusammenarbeit mit ihren Kollegen ein neuronales Netz, das die Ränder der Zellen identifiziert. Dazu wandten sie innovative Methoden im Bereich des maschinellen Lernens an, um die genaue Form einzelner Zellen zu extrahieren. Anschließend überprüften die Wissenschaftler die Leistungen von PlantSeg an Proben, die dem System bis dahin unbekannt waren. Schließlich setzten sie die Software ein, um die Zellform und -organisation in Blüten und Wurzeln der Ackerschmalwand zu analysieren.

,,Mit PlantSeg können wir nun pflanzliches Gewebe mit hoher Präzision untersuchen und erhoffen uns dadurch ein besseres Verständnis von Prozessen der Artenbildung oder der Frage, wie Pflanzen auf sich verändernde Umweltbedingungen reagieren", sagt Maizel. Die zugrundeliegende Methodik der Software kann nach den Worten des Heidelberger Wissenschaftlers grundsätzlich auch auf die Analyse weiterer Gewebearten, etwa tierisches Gewebe, übertragen werden.

Die Arbeiten wurden im Rahmen der Forschungsgruppe ,,Morphodynamik der Pflanzen" durchgeführt. Daran beteiligt sind Vertreter nationaler Forschungseinrichtungen aus den Fachbereichen Biologie, Physik und den Computerwissenschaften. Sie gehen der Frage nach, wie das Zusammenspiel zwischen Zellteilung, Musterbildung und Wachstum zur Entwicklung der äußeren Gestalt von Pflanzen führt. Sprecher der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Gruppe ist Alexis Maizel.

A. Wolny, L. Cerrone, A. Vijayan, R. Tofanelli, A. Vilches Barro, M. Louveaux, C. Wenzl, S. Strauss, D. Wilson-Sánchez, R. Lymbouridou, S. Steigleder, C. Pape, A. Bailoni, S. Duran-Nebreda, G. Bassel, J. Lohmann, M. Tsiantis, F. Hamprecht, K. Schneitz, A. Maizel, A. Kreshuk: Accurate and versatile 3D segmentation of plant tissues at cellular resolution. In: eLife 2020, 9.


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