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Institut für Molekulare
Physiologie und Biotechnologie der
Pflanzen
INSTITUT FÜR CHEMIE UND DYNAMIK DER GEOSPHÄRE ICG III | |
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Charakterisierung der Schwerkraftsensoren
in Keimwurzeln
von Arabidopsis thaliana |
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Tagebuch
der Kampagne |
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28.05.2006+++
Letzter Flugtag
kaum zu glauben, dass schon wieder eine
Kampagne zu Ende ist. Insa ist heute unser special guest. Trotz
gelegentlicher Orientierungslosigkeit während der 11 Parabeln
meistert sie ihre Aufgaben vorbildlich. Nach den fünf Flugtagen sind
wir begeistert von der Qualität der Videobilder und der guten
´Performance´ der Arabidopsis-Keimlinge. Nicole´s beharrliches
Testen und Optimieren der Anzuchtbedingungen hat sich gelohnt. Die
Auswertung verspricht, weitere interessante Puzzlesteinchen zu
liefern für die Aufklärung der Mechanismen der
Schwerkraftwahrnehmung in Pflanzen. In unseren Köpfen
schwirren schon Verbesserungsvorschläge und neue Ideen für weitere
Flugexperimente. Wir sind immer wieder erstaunt, wie man mit einem
geschickten Experimentaufbau selbst mit diesen relativ kurzen Phasen
von Mikrogravitation so aussagekräftige wissenschaftliche Ergebnisse
erhalten kann. Wir bedanken uns bei allen, die uns diese
Experimentiermöglichkeit eröffnet und uns dabei immer nach Kräften
unterstützt haben (DLR, Novespace, Flughafen Köln/Bonn, Sogerma, CEV...
und immer wieder unsere Werkstatt). Wir machen weiter.
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27.05.2006+++
Loopings
gönne
ich
mir während meiner 300sten Parabelfluphase, dann geht es im
Sturzflug gleich wieder in die Wissenschaft und zurück ans Rack.
Die 12 Parabeln des Flugsamstags nutzen wir für
Wachstumskontrollen an nicht-gravistimulierten Wurzeln, ein
Kontrollexperiment, mit dem wir die Beschleunigungsabhängigkeit
der verschiedenen Wachstumszonen unstimulierter Wurzeln
untersuchen wollen.
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26.05.2006+++ Kontrollexperimente
waren
eigentlich für den parabelfreien heutigen Freitag eingeplant: aber
erstens kommt es anders und zweitens als man denkt. Gestern hatte sich
pünktlich nach der letzten Parabel des dritten Flugtages das
Netzteil unserer Experiment-Racks verabschiedet. Nun ist Jens auf
Fehlersuche. Für die Flüge am Samstag und Sonntag müssen zumindest
die Videoeinheiten wieder funktionieren. Wir nutzen die Zwangspause
und grüßen herzlich unsere erfahrenen Mitflieger Claudia, die an ihrer
Diplomarbeit im Forschungszentrum Jülich sitzt, und Christoph, der
sich nun wissenschaftlich in Schweden betätigt, wo er dem Nobelpreis
näher ist.
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25.05.2006+++ Eine
´abgebrochene´ Parabel
gab es heute wegen kleiner technischer
Schwierigkeiten, aber das hindert Jens keineswegs daran, seine
200ste Parabel zu feiern. Nicole bittet nach getaner Arbeit den Doc
zum Tänzchen im Free-Floating Area. Unsere Wurzeln machen trotz
Feiertag mit und produzieren formvollendete Krümmungen. Die
Festplatten sind nun randvoll. Bis zu den Flügen am Wochenende
werden wir tüchtig Daten auf DVDs brennen müssen.
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24.05.2006+++ Der Himmel
über Berlin
musste heute für die Parabelflugmanöver
des zweiten Flugtages herhalten,
weil es über der Nordsee zu stürmisch war. Leider war aber auch das Berliner
Areal nicht allzu parabelflugfreundlich und so klein, dass wir fast 2,5
Stunden für die 31 Parabeln herumkreisen mussten. Aber die
Schwerelosigkeit lässt uns großzügig über solche Kleinigkeiten
hinwegschauen. Auch unsere Arabidopsis-Wurzeln scheinen sowohl die
Drogenbehandlung vor dem Flug als auch die holprigen Flugphasen gut
verkraftet zu haben. Übrigens: an der Decke gehen klappt auch in
Schwerelosigkeit nur bedingt. Auch hier gilt: Action = Reaction.
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23.05.2006+++ Schwarze
Wolken und Sonnenschein
am ersten Flugtag widerspiegeln auch die
Gefühle der Experimentatoren. Während einige arg gebeutelte
Probanden noch bei der Nachbesprechung etwas grün im Gesicht sind,
haben die Erfahreneren, wie Jens und Andres, trotz konzentrierter
Arbeit auch viel Spaß gehabt und das Gefühl schwerelos zu sein, so
richtig genossen. Wir können beim ´Debriefing´ zufrieden berichten,
dass beide Mikroskopeinheiten prima funktionierten und dass den fast
1800 Arabidopsiskeimlingen so richtig nach Krümmungswachstum zumute
war. Ein daten- und erfolgreicher erster Flugtag!
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19.05.2006+++ Safety Introduction
steht wie
immer am Tag vor dem ersten Flugtag auf dem Progamm und wir
können immer noch über die uns schon wohlbekannten Scherze vom
Cabin-Chief Alain und Flugkapitän Gilles le Barzic schmunzeln, die
die nervöse Anspannung der ´Erstflieger´ etwas zu lockern vermögen.
Auch die Worte des Bordarztes ... when hypergravity, then don´t move
your head... sollte man sich gut einprägen. Der Airbus wird noch
einmal auf gründlich durchgecheckt, bevor es für Jens und Andres
morgen früh wieder heißt: .. 30... 40... pull up .... Injection..
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... den richtigen Riecher für
perfekte Parabeln |
... das Bugrad
zittert bei jeder Windböe |
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19.05.2006+++ Fasziniert von Zero-G
sind die
Zuschauer auf der ILA in Berlin und der Strom von Besuchern, die
einen Blick in unseren Parabelflieger werfen möchten, reißt nicht
ab. Ebenso geduldig wie enthusiastisch versuchen die
Parabelflug-Projektleiterin Frau Dr. Ulrike Friedrich und unser
Flugkapitän Gilles le Barzic im TV-Interview und wir im Airbus, das
Gefühl, schwerelos zu sein, für das Publikum in Worte zu fassen. Die
häufigste Frage danach: wie kann man denn dabei noch
wissenschaftlich experimentieren? Aber auch wir sind fasziniert von
der Vielfalt an Flugzeugen und von der größten Passagiermaschine der
Welt - dem Airbus A380, der majestätisch an den staunenden
Zuschauern vorbeirollt und elegant wie ein Albatrosse seinen Runden
um den Flughafen dreht. Erschöpft und mit dem guten Gefühl, ein
wenig von der Faszination und Nützlichkeit von ´Forschung unter
Weltraumbedingungen´ vermittelt zu haben, hängen wir am Abend in den
Sitzen des A300 Zero-G, der uns wieder zurück nach Köln bringt, von
wo aus wir in der nächsten Woche endlich wieder Parabeln fliegen
dürfen.
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18.05.2006 +++ Labor mit Schlappohren
wie schnell man sich doch an seine neue
Arbeitsstätte gewöhnen kann. Heute wurde unser Rack auf Herz und
Nieren überprüft und für flugtauglich befunden. Wie bei allen
Kampagnen vorher auch, wurde wieder vor allem unsere schwimmende
Befestigung der Videomodule und Probenkammern skeptisch beäugt und
befühlt. Für uns ist es aber äußerst wichtig, die heftigsten
Schwingungen während des Flugs abzudämpfen. Morgen werden wir mit
dem A300 ZERO-G nach Berlin zur Internationalen Luft- und
Raumfahrtausstellung fliegen und unsere Experimente einer breiteren
Öffentlichkeit vorstellen.
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... herausgeputzt für die ILA
in Berlin |
... unter den
kritischen Blicken von CEV |
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17.05.2006 +++ Last minute changes
kein Problem für unsere
Feinmechanik-Werkstatt.
Mit dem nötigen Humor und der Einsatzbereitschaft von Herrn Laubach
und Torsten Frings sollten bis morgen früh auch die kleinen Probleme
mit Vibrationen an den Videomikroskop-Haltern gelöst sein, die wir
heute beim Probelauf festgestellt haben. Bis zum morgigen Safety
Review muß alles einsatzbereit sein. Humor und viel gute Laune ist
auch nötig, um nicht vor den 80 Petrischalen zu resignieren, die
heute noch mit Agar gefüllt und mit jeweils 60 Arabidopsis-Samen
bestückt werden müssen.
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16.05.2006 +++ Rack Loading
ausgestattet mit leuchtend roten
Warnwesten begleiten wir unser Rack zur Hebebühne und in den auf
Hochglanz polierten Airbus A300 Zero-G. Die Befestigung des Racks in der
Kabine und das Abpolstern aller Kanten sind für uns ´Frequent Flyer´
schon Routine. Aufatmen nach dem ersten Test. Alle Systeme haben den
Transport heil überstanden.
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15.05.2006 +++ Security First
unter dem Motto
steht der Transport unseres Racks zum Terminal West des Flughafens
Köln/Bonn. Wir meinten, dass unsere mühsam erstandenen
Flughafenausweise uns Zugang gewähren würden, aber weit gefehlt.
Nachdem Auto- Personen- und Gepäckkontrolle überstanden waren,
wurden wir von einem Security Fahrzeug zum Terminal begleitet. So
safety haben wir noch nie ein Experiment vorbereitet. Zum Glück
waren wir rechtzeitig von der
TEXUS 43 -Kampagne aus Kiruna zurück und auch unser Wunschrack
für die 8. DLR Parabelflugkampagne ist tatsächlich fertig geworden
und hat alle Tests bestanden. Morgen geht´s in den Airbus A300
Zero-G.
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... es ist vollbracht - alles
fertig! |
... auf geht´s zum
Flughafen Terminal West |
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04.05.2006 +++ der grüne Daumen
von Nicole hat dann
doch über die Sturheit von Arabidopsis gesiegt. Die Samen keimen
wunderbar. Die Wurzeln wachsen zügig und was am wichtigsten ist -
die gravitropen Krümmungen nach zweistündiger 90 Grad-Stimulation
sind recht einheitlich, die Krümmungswinkel hoch. Der Wechsel zu den
kleinen Petrischalen hat sich gelohnt. Kein kompliziertes
Sterilisieren der speziellen Plexiglaskammern mehr, hurra. Sogar die
Behandlung der Keimlinge mit einer Aktin-zerstörenden Droge ist in
den Petrischale viel einfacher. Unsere Flugexperimente werden uns
Hinweise liefern, ob das Aktin-Cytoskelett der
schwerkraftwahrnehmenden Zellen (Statocyten) bei der Aktivierung des
Gravirezeptors eine wichtige Rolle spielt oder nicht - wir sind sehr
gespannt. Auf Esrange bei Kiruna sitzen derweil Markus und Jens im
Laborbereich des Launch-Area und haben die ersten Chara-Rhizoide
unter dem Mikroskop. Gestern ist die MAXUS-7 Rakete mit einem
Bilderbuchstart in den Himmel geschossen und nun ist der Weg frei
für unsere kleinere TEXUS-43. Alles läuft im Moment nach Plan. Die
ersten Rhizoide werden heute in das Nutzlast-Modul eingesetzt und
Jens und Markus werden die Prozeduren zur Steuerung des Experiments
üben und üben und üben, damit während der kurzen 6-minütigen
Mikrogravitationsphase alle Handgriffe sitzen.
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... wie die Zinnsoldaten |
... da geht´s lang |
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01.05.2006 +++
Jens´ Kolumne
Some like it hot!
Auch vor der
nächsten Parabelflugkampagne sind eine Menge technischer Probleme zu
lösen. Bei der letzten Kampagne im März in Bordeaux war es im Airbus
morgens wieder einmal viel zu kalt. 10°C ist nun mal nicht die
ideale Temperatur für Arabidopsis, erst recht nicht, wenn sich die
Wurzeln auch noch zügig Krümmen sollen. Das Heizen mit einem Fön
wurde von NOVESPACE nicht gerne gesehen und die eigene
Körpertemperatur war morgens viel zu wertvoll, um sie an kaltes
Aluminium abzugeben. Also muss eine Heizung her für alle
Probencontainer, Videoboxen und die Zentrifuge. Als Heizelemente nutze
ich Heizfolien, die über Temperatursensoren geregelt werden. Damit
sich die Wärme schnell im Innenraum verteilt, sind die Folien mit
einem Heizkörper und einem kleinem Radiallüfter gekoppelt. Somit
kann nun jeder Raum, in der sich Proben befinden, auf lauschige 24°C
geheizt werden. Nun sollten sich die kleinen Arabidopsiswurzel auch
schon morgens im Flieger wohl fühlen.
Eine zweite
Videobox muss her, um mehr Daten für die hochauflösende
Krümmungsanalysen zu gewinnen. Also auch ein weiterer Laptop,
Netzteile, eine Kamera, optische Systeme und noch ´ne ganze Menge
Kabel mehr, die natürlich auch auf dem Rack untergebracht werden
wollen.
Doch die zweite
Kiste musste erst einmal gebaut werden. Hier nun großes Lob und Dank
an Herrn Laubach und Torsten Frings, unsere
Feinmechaniker, die es wieder einmal geschafft haben, in
kürzester Zeit unsere Hardware zu bauen, und mich täglich mit meiner
Ration Schrauben und Muttern zu versorgen! Die letzten Tage vor der
TEXUS-Kampagne in Kiruna habe ich mit dem Aufbau der optischen
Systeme, dem Einrichten der Hardware sowie der Integration auf dem
Rack verbracht. Nun sind drei Laptops auf der oberen Ebene des Racks
angebracht, mal ehrlich - das sieht doch ganz schön cool aus ;-).
Auch die Entwicklung und Einrichtung der neuen Blitzschaltung hat
Andres und mich ein paar schlaflose Nächte bereitet. Aber nun
funktioniert auch das!
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... noch ist Platz |
... jetzt nicht mehr |
Seit gestern bin
ich aber erst einmal wieder mit Markus in Lappland. Im Laborbereich
des Launch-Area auf ESRANGE versuchen wir Chara zur Produktion von
Rhizoidzellen anzuregen, die wir auf der TEXUS-43 Rakete fliegen
wollen. Hoffentlich klappt der Start am 8. Mai, damit wir
rechtzeitig zur Parabelflugkampagne wieder am Flughafen Köln/Bonn
sind. |
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28.04.2006 +++
Nicole´s Kolumne
Kann man vom Hantieren mit einer Pinzette Blasen bekommen, ich meine
ja... Die
Bewegungsabläufe haben sich, was das routinemäßige Ansetzen für die
bevorstehende Parabelflugkampagne in Köln angeht, in den letzten
Tagen und Wochen nicht sehr verändert. Aber wir haben die
Spezial-Plexiglasküvetten durch kleine Petrischalen ersetzt, deshalb
heißt es wieder ansetzen und testen, testen ... Es erfordert schon
einiges an Geduld und Ausdauer, von früh morgens bis spätabends
Hunderte der winzigen Arabidopsis-Samen behutsam auf die Agarschicht
in die Petrischalen zu plazieren. Ich lasse mich aber nicht
unterkriegen und versuche jeden Tag auf’s Neue, möglichst viele
Samen in eine Schale einzubetten, und diese zum Keimen und Gedeihen
zu bekommen. Neben der Qualität der auskeimenden Arabidopsis-Wurzeln
ist vor auch Quantität wichtig für eine gute Statistik.
Erst vier Tage nach
dem ersten Pinzettenstich und der Umsorgung der
Arabidopsis-Keimlinge bei wohligwarmen 24°C und „Sonnenschein“ im
Inkubator zeigt sich, ob meine Bemühungen und Blasen an den Fingern
nicht umsonst waren. Schön wachsende Arabidopsis-Wurzeln erwartet
dann das nächste Schicksal: die Bodenkontrollen, inklusive 1g-, 2g-
und Inversionstests. Diese helfen uns bei der Interpretation der
Flugexperimente. Und so bemühe ich mich in diesen Tagen noch so
viele Daten wie nur möglich in den laufenden Vorexperimenten zu
erhalten. Insgeheim freue ich mich dabei wieder riesig auf die
Experimente im A300-Zero-G und auf die Chance, erneut der
Schwerkraft zu entfliehen. Die Vorfreude auf dieses unbeschreibliche
Ereignis und das Wissen, dass der Ansatz-Marathon seinen Teil zum
Gelingen des Parabelflugexperiments beiträgt, lässt mich morgen früh
erneut zur Pinzette greifen.
Ich werde in der
kommenden Woche die Stellung im Labor halten, während Jens und
Markus nach Schweden fliegen und auf Esrange bei Kiruna unsere
Experimente auf der Forschungsrakete TEXUS- 43 vorbereiten, die am
8. Mai starten soll. Momentan ein ist also Stress angesagt, jagt
doch eine Kampagne die nächste. Aber gerade das ist ja auch der
Spass daran! Die Kampagne in Schweden wird für mich eine ganz neue
Erfahrung sein. Was das Ansetzen von Chara-Rhizoiden,
unseren Versuchsobjekten auf TEXUS, betrifft, so wird das auf jeden
Fall die reinste Erholung von den oben beschriebenen Vorbereitungen
für den 8. DLR-Parabelflug Mitte Mai. Lappland, ich komme ...
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20.04.2006 +++ Noch komplizierter und hektischer
als sonst
gestalten sich die Vorbereitungen für unsere nächste
Parabelflugkampagne, die im Mai in Köln stattfindet. Diesmal
konzentrieren wir uns nur auf Arabidopsis-Keimwurzeln. Wir wollen
aber nicht nur die Krümmungsreaktionen am Ende des Experiments
dokumentieren, sondern diese auch mit hochauflösender
Videomikroskopie verfolgen. Wir sind gespannt, ob wir Effekte der
verschiedenen Beschleunigungen auf die Wachstumskinetik oder die
Krümmungsreaktion messen können. Die besondere Herausforderung: ein
zweites Videomodul muss in wenigen Tagen von unserer
Feinmechanik-Werkstatt angefertigt, von uns getestet und auf das Rack montiert werden. Das erfordert einen weiteren umfangreichen
Umbau des Racks, dessen Aluminiumplatten so langsam einem Schweitzer
Käse ähneln. Achim Walter, Andres Chavarria-Krauser und Andreas Fischbach
vom Forschungszentrum Jülich unterstützen uns wieder mit Know-How,
hochauflösenden Kameras und ausgefeilter Blitzlichtbeleuchtung. Nur
durch eine solche Infrarot-Blitzbeleuchtung können wir trotz der starken
Vibrationen und Beschleunigungswechsel perfekt scharfe Bildserien
aufnehmen. Aus einem Notebook sind nun schon drei geworden, die wir
wegen akuten Platzmangels auf der Deckplatte des Racks befestigen
müssen. Zu allem Überfluß werden wir Anfang Mai erst einmal nach
Kiruna fliegen und dort Experimente auf einer Forschungsrakete (TEXUS
43) durchführen. Hoffentlich sind wir rechtzeitig zurück!
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Wissenschaftliche Zielsetzung
Um die optimale Ausrichtung ihrer Organe zu kontrollieren und
unerwünschte Lageveränderungen wahrnehmen und korrigieren zu können,
bedienen sich Pflanzen des einzig konstanten und verläßlichsten Umweltparameters, der
Schwerkraft. Das Schwerkraft-orientierte Wachstum
(Gravitropismus) ist ein überlebenswichtiger
Mechanismus, der dafür sorgt, dass Wurzeln in den Boden wachsen, um
die Pflanze mir Wasser und Mineralstoffen zu versorgen und dass
Sprosse entgegen der Schwerkraft zum Licht wachsen, um durch
Photosynthese energiereiche Moleküle zu produzieren. Ebenso richten
sich Getreidehalme, die durch Sturm niedergedrückt wurden, durch
einen Schwerkraft-orientierten Prozess wieder auf, so dass die
Frucht nicht auf der Erde verfault.
Zentrales
Element der Schwerkraftwahrnehmung ist der Schwerkraft-Rezeptor, der
in spezialisierten Zellen einen physikalischen Stimulus (die
Schwerkraft-orientierte Sedimentation schwerer Partikel, sog.
Statolithen) in ein physiologisches Signal umwandelt, das
schließlich zur Umorientierung der Wachstumsrichtung
führt.
Zwar
ist die
molekulare Natur des Rezeptors noch unbekannt, doch der Funktions-
und Aktivierungsmechanismus des Rezeptormoleküls lässt sich mit
Parabelflugexperimenten gut untersuchen. Das
Beschleunigungsprofil des
Parabelflugs bietet die denkbar besten Bedingungen für
Untersuchungen, die zeigen werden, ob es sich bei dem
Schwerkraftrezeptor der Höheren Pflanzen um eine Art von
Mechanorezeptor handelt, der wie ein Druckschalter funktioniert und
durch das Gewicht der Statolithen oder durch
Statolithen-vermittelten Zug aktiviert wird, oder ob ein
Kontakt mit den Statolithen über molekulare, physiologische oder
elektrische Wechselwirkungen den Rezeptor aktiviert
(Kontaktrezeptor). Das Experiment wird zeigen, ob Statolithen, die
während der kurzen Mikrogravitationsphasen von jeweils 22s
schwerelos sind, die Schwerkraftrezeptoren weiterhin aktivieren oder
nicht. Durch den Einsatz hochauflösender Videomikroskopie soll zudem
der Schwerkrafteinfluss auf die Wachstumsreaktionen untersucht
werden. |
Gravitrope
Korrekturen der Ausrichtung von Wurzeln und Sprossen. Arabidopsis thaliana (links), Sonenblume (rechts oben) und
Kresse (rechts unten)
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Experimentbeschreibung
Bei diesem
Parabelfugexperiment konzentrieren wir uns erstmals ausschließlich
auf Schwerkraftreaktion von Arabidopsis-Keimlingen. Im Verlauf der
2-stündigen Parabelflüge des Airbus A300 Zero-G werden die Keimlinge
durch Horizontallagerung gravistimuliert und erfahren in dieser
Orientierung die alternierenden Phasen von Hypergravitation,
Mikrogravitation und normalen 1g-Bedingungen. Die
Krümmungswinkel der Flugproben werden verglichen mit den
Krümmungswinkeln von Kontroll-Proben in der 1g-Referenz-Zentrifuge,
die während der Mikrogravitationsphasen mit 1g zentrifugiert
werden, ansonsten aber die gleichen Flugbedingungen (Hyper-g
und 1g) erfahren. ein Vergleich der Krümmungswinkel von Flug-
und Kontrollwurzeln können wir auf den Aktivierungsmechanismus des
Gravirezeptorproteins schließen. Fallen die Krümmungsreaktionen
bei Flugproben deutlich geringer aus, deutet dies auf einen
klassischen Mechanorezeptor hin, der deaktiviert wird, wenn die
Statolithen während der Mikrogravitationsphasen kurzzeitig
schwerelos sind und keinen Druck auf den Rezeptor ausüben. Sehr
ähnliche Krümmungsreaktionen sprechen dagegen für einen
Kontaktrezeptor, dessen Aktivierung auf dem Kontakt mit der
Statolithenoberfläche, nicht aber auf dem Gewicht der sedimentierten
Statolithen beruht. Erste Vorexperimente von früheren Parabelflügen
lassen vermuten, dass der Wechsel von Mikro-g, Hyper-g
und 1g die Wurzelkrümmung eher stimuliert als verringert.
Diese Hypothese wollen wir nun
gründlich überprüfen. Dazu werden auch erstmal zwei
Videomikroskopie-Module auf das Rack montiert, die eine
räumlich und zeitlich hochaufgelöste Videodokumentation des
Wurzelwachstums erlaubt. Über digitale Bildauswertung können wir so
in Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich erstmals auch
präzise Aussagen über die Änderungen der Wachstumskinetik und der
Schwerkraftantwort (Graviresponse) von Arabidopsis-Wurzeln in
Abhängigkeit von den Beschleunigungsphasen des Parabelfluges
treffen.
Literatur:
Limbach et al.
2005 (Plant Physiol 139)
Bild der
Wissenschaft 5/2006 S. 40-45 |
Experiment-Rack
CHARABOLIX 5
Frontansicht
Skizze
Frontansicht des Charabolix 5 Rack
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