Die Mikroskopie hat eine lange Tradition vorzuweisen. Dieser Forschungszweig verästelt sich in den der klassischen Lichtmikroskopie und in den der Elektronenmikroskopie. Bedingt durch die technologischen Möglichkeiten gibt es in letzterem Bereich noch die Unterscheidung in Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie. Die wichtigsten Merkmale: Die Messgenauigkeit des Lichtmikroskops ist durch die Wellenlänge des Lichts beschränkt und beträgt in etwa 0.2 µm. Untersucht werden damit Schnitte mit einer Dicke von mehreren Mikrometern. Das Transmissionselektronenmikroskop kann mit einer stärkeren Liebe zum Detail aufwarten. Ultradünnschnitte von 70-90 nm werden dabei „unter die Lupe genommen“. Die Genauigkeit hat jedoch ihren Preis: „Die Vorbereitungsarbeiten sind enorm aufwändig“, erläutert Institutsleiter Ao. Univ.-Prof. Dr. Helmut Guttenberger die Problematik. So kann nur wasserfreie „tote Materie“ im Vakuum untersucht werden. Schon ein paar Wassermoleküle im Präparat würden dieses im Hochvakuum zum Platzen bringen und zerstören.

Haarspalterei

Bei der Präparierung, beispielsweise einer Baumnadel, wird das Objekt zuallererst fixiert, dehydriert und in Kunstharz gegossen, damit sein struktureller Aufbau erhalten bleibt. Durch Hitzeeinwirkung wird das Kunstharz auspolymerisiert, das Präparat wird hart.
Was das Seziermesser für den Chirurgen, ist das Ultramikrotom für den Mikroskopiker. Mit Hilfe dieses mechanischen Hochpräzisionswerkzeuges ist es dann möglich, das pflanzliche Präparat scheibchenweise bis zu einer Dicke von 100 nm zu zerschneiden. Daneben erscheint gar Haarspalterei als plumpe Übung in Grobmotorik. Die Schnitte schwimmen dann auf einer Wasseroberfläche, von wo sie unter Zuhilfenahme einer menschlichen Wimper auf einen Objektträger aufgebracht werden und dann ins Transmissionselektronenmikroskop kommen.
Das alles sind Arbeiten, die in der Arbeitsgruppe für Zellphysiologie und Cytologie des Instituts für Pflanzenphysiologie an der Universität Graz unter der Leitung von Ass.-Prof. Dr. Günther Zellnig zuhauf erledigt werden müssen. In seinem FWF-Projekt – zum Normalaufbau von Zellorganellen – forschen er und Mag. Dr. Andreas Perktold konkret an der 3D-Rekonstruktion dieser Zellorganellen und deren Feinstrukturen, exemplarisch an den drei Pflanzen Fichte, Spinat und Kiefer. Durch kumulierte Ultradünnschnitt-Serien wird die komplette reale Zellstruktur via Computer dreidimensional zusammengesetzt. Das ist weltweit einer der ersten Versuche überhaupt, Chloroplasten – das sind jene organischen „Sonnenkollektoren“, die dafür verantwortlich sind, dass Pflanzen Licht in chemische Energie umwandeln – als strukturelle Gesamtheit zu beschreiben und darzustellen. Bis dato ist das nur virtuell in Modellen geschehen. Da der Zellaufbau nun digital am PC vorhanden ist, ist es möglich, bestimmte Bereiche auszublenden (z.B. Stärke, Membranen), andere dafür genauer zu analysieren, Flächen- und Volumsberechnungen durchzuführen und so zu reichlich quantifizierbarem Datenmaterial zu kommen.

Klimakammer

Das Forschungsvorhaben geht aber noch weiter, denn mit diesem neuartigen Verfahren können auch Veränderungen in der Feinstruktur der Organellen, hervorgerufen durch Umwelteinflüsse oder tagesperiodische Schwankungen, veranschaulicht und nachgewiesen werden. Hauptziel und gleichzeitig Knackpunkt Nummer 1 ist es, kausale Aussagen über die Wirkung von Umwelteinflüssen auf die Zellstruktur treffen zu können. Gerade im Bereich der Waldschadensforschung ist dies von höchster Relevanz.
Dazu werden die Pflanzen in der Klimakammer und unter bestimmten Umweltbedingungen (Tages- und Nachtrhythmus, Luftfeuchtigkeit, Nährstoffgehalt der Erde, Außentemperatur, Bewässerung etc.) aufgezogen und auf einen „Normalzustand“ nivelliert. Es ist natürlich unmöglich zu sagen, was tatsächlich normale Umweltbedingungen sind, allerdings können durch dieses Versuchssetting sogenannte Stressfaktoren einzeln verändert und gemessen werden. Trockenstress wird beispielsweise dadurch erzeugt, dass die Bewässerung erheblich reduziert wird, alle anderen Rahmenbedingungen aber gleich bleiben.

Feldversuch

Wesentlich komplexere und schwer messbare Zusammenhänge ergeben sich dann im Feldversuch, im Freiland also. Zum Vergleich und zur Erklärung werden hier gerne die im Labor gewonnenen Daten herbeigezogen.
Die erforschten Veränderungen in Zellstruktur und -aufbau gehen sogar soweit, dass erhebliche Modifikationen im Erbmaterial der Pflanzen festgestellt wurden. Doch was das genau bedeutet, kann zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht gesagt werden. Klar ist, dass in diese Richtung intensiv weitergeforscht wird. Mensch und Grünzeug werden am Institut für Pflanzenphysiologie auch in Zukunft noch einiges an „Stress“ ertragen müssen.

Robert Hutter