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14.11.2017

Mit PaCeQuant Pflanzenzellen vermessen

IPB- und MLU-Forscherinnen entwickeln Software für die Biowissenschaften

A. Katharina Bürstenbinder vom IPB sah sich vor der Herausforderung den Zellform-Phänotyp bestimmter Mutanten (oxIQD16, rechts) im hohen Durchsatz quantitativ mit dem von Wildtyp-Arabidopsispflanzen (Col-0, links) zu vergleichen. (Möller et al. 2017, Plant Physiol, DOI: 10.1104/pp.17.00961) B. Birgit Möller von der MLU entwickelte zusammen mit Katharina Bürstenbinder PaCeQuant – eine OpenSource-Software, die automatisiert einzelne Blattepidermiszellen in Mikroskopaufnahmen erkennt (links) und anhand zahlreicher eindeutiger Messpunkte (rechts) 27 Zellformparameter ausgibt, und somit einen robusten Vergleich von Wildtyp- und Mutanten-Zellform erlaubt. (http://mitobo.informatik.uni-halle.de/index.php/Applications/PaCeQuant).

Pflanzliche Blätter werden an ihrer Oberfläche von einer Schicht aus Blattepidermiszellen umhüllt, die unregelmäßigen, lückenlos ineinandergreifenden Puzzleteilen gleichen. Im Englischen werden die Epidermiszellen auch als pavement cells bezeichnet, da sie wie Pflastersteine als ein dicht verzahntes Abschlussgewebe das Blatt schützen. Katharina Bürstenbinder vom Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie Halle (IPB) stieß bei ihrer Forschung an Proteinen, die das pflanzliche Zytoskelett regulieren auf unterschiedliche Formen bei Blattepidermiszellen. Normalerweise besitzt jede Blattepidermiszelle mehrere Ausstülpungen (engl. lobes), die in die Zwischenräume der Ausstülpungen (engl. necks) der Nachbarzelle ragen. Lobes und necks entstehen, wenn das Zellwachstum stimuliert oder gehemmt wird. Dabei wird das Zytoskelett, das innere Stütz- und Transportgerüst jeder Zelle, auf- oder abgebaut. Schaltete Bürstenbinder in der Modellpflanze Arabidopsis bestimmte Zytoskelettregulatoren aus, beobachtete sie Formveränderungen bei den Epidermiszellen und ihren Ausstülpungen (siehe Abbildung A). Doch gab es keine entsprechende Methode, um die komplexen Formeigenschaften quantitativ zu beschreiben und so Wildtyp und Mutanten genau zu vergleichen.

Darum hat sich Bürstenbinder mit Bioinformatikerin Birgit Möller von der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg zusammengetan und die Software PaCeQuant – ein Akronym für Pavement Cell Quantification (Deutsch: Epidermiszellen-Quantifizierung) – entwickelt (Birgit Möller, Yvonne Poeschl, Romina Plötner, Katharina Bürstenbinder. PaCeQuant: A Tool for High-Throughput Quantification of Pavement Cell Shape Characteristics, Plant Physiology, Sep 2017, pp.00961.2017; DOI: 10.1104/pp.17.00961).

PaCeQuant ermöglicht zum Einen die zuverlässige automatische Erkennung der Epidermiszellen aus digitalen Mikroskopaufnahmen. Zum Anderen werden 27 genau definierte Werte ermittelt, die die Zellform beschreiben (Abbildung B). Eine enorme Arbeitserleichterung, denn sonst müsste man am Bildschirm manuell sämtliche Zellkonturen nachzeichnen und die zu vermessenden Abstände festlegen. Durch die Automatisierung wird ein viel größerer Datendurchsatz erreicht und die Auswertungen werden reproduzierbarer und statistisch besser abgesichert. Zudem werden Fehler durch den Faktor Mensch eliminiert, weil jeder Experimentator subjektiv etwas anders vermisst, zum Beispiel mehr oder weniger Ausstülpungen zählt, wie die Wissenschaftlerinnen zeigen konnten.

Die 27 Zellformparameter umfassen beispielsweise Zellumfang und -fläche, die Anzahl der Ausstülpungen oder die Ähnlichkeit zu einer perfekten Kreisform. Darüber hinaus entwickelten die Forscherinnen erstmals eindeutige Kriterien, wie man die für die Epidermiszellen spezifische Form und Größe jeder Ausstülpung an eindeutigen Punkten festmacht und vermisst. Damit bietet PaCeQuant die umfassendste quantitative Beschreibung für die Blattepidermiszellform Vergleich zu allen anderen bisher veröffentlichten Methoden. Mutanten mit veränderter Zellform können nun aufgrund der PaCeQuant-Vermessung viel genauer und zuverlässiger gegenübergestellt werden.

Als frei verfügbare Erweiterung baut PaCeQuant auf dem weit verbreiteten OpenSource-Bildanalyseprogramm ImageJ/Fiji auf. So können möglichst viele Arbeitsgruppen PaCeQuant nutzen und vergleichbare Ergebnisse produzieren oder sogar das Programm ihren Bedürfnissen anpassen. Auf unseren Webseiten finden Interessierte ab sofort einen Link zur PaCeQuant-Downloadseite unter „Datenbanken“. Eine Dokumentation zu PaCeQuant bieten die Seiten der Martin-Luther-Universität.

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