Afdækning af essentielle enzymer til plantevækst under nitrogensult

En undersøgelse ledet af forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har fundet ud af, at to nøgleenzymer i planter kaldet PAH1 og PAH2 er kritiske for overlevelse og vækst under nitrogenfattige forhold. Undersøgelsen kaster nyt lys over, hvordan planter i fremtiden kan modificeres for at øge tolerancen over for næringsfattige miljøer.

Hvordan planter tolererer nitrogensultning er et mangeårigt mysterium. Nitrogen er afgørende for produktionen af ​​aminosyrer, byggestenene i planteproteiner, og mange andre komponenter, der er nødvendige for at opretholde livet. Forskere i Japan har nu fundet ud af, at to enzymer involveret i lipidbiosyntese kaldet PAH1 og PAH2 er essentielle for plantevækst under nitrogensult. Fundet fremmer grundlæggende viden om de processer, der regulerer plantevækst.

Udgivet i Grænser i plantevidenskab , forskningen var et resultat af samarbejde mellem forskere fra Tokyo Tech, University of Tokyo og Tokyo University of Pharmacy and Life Sciences.

Ved at studere en lille blomstrende plante kaldet Arabidopsis thaliana, holdet viste, at ved at slukke for to gener, PAH1 og PAH2, (i en proces kendt som dobbelt knockout) førte til øget følsomhed over for nitrogensult. Arabidopsis er et populært valg blandt plantebiologer på grund af dets relativt korte livscyklus (på omkring to måneder) og lille genomstørrelse (på omkring 135 megabasepar), hvilket gør den ideel til brug som modelart.

Holdet sammenlignede klorofylindholdet og fotosynteseaktiviteten af ​​de dobbelte knockout-planter, transgene planter, der var blevet modificeret til at producere mere af (eller overudtrykke) PAH1 og PAH2, og vildtype planter. De dobbelte knockout-planter viste sig at have lavere klorofylindhold end i vildtypen under nitrogenfattige forhold. Bemærkelsesværdigt, holdet fandt ud af, at transgene planter viste en højere mængde klorofyl og større fotosyntetisk aktivitet end vildtypeplanterne under nitrogensulting (se figur 1).

Mie Shimojima fra School of Life Science and Technology, Tokyo Tech, siger, at undersøgelsen bygger på omkring 20 års arbejde udført af hendes forskergruppe om membranlipid-ombygning under uorganiske fosfat (Pi)-udtømte forhold.

"Når planter lider Pi-sult, fosfolipider i cellemembranerne nedbrydes og erstattes med glykolipider, eller sukkerholdige lipider; det er sådan planterne overlever Pi-manglen, " siger Shimojima. "I 2009, vores kolleger Yuki Nakamura og andre viste, at PAH1 og PAH2 er afgørende for plantevækst under Pi-udtømte forhold."

Voksende beviser i de senere år tyder på, at planters reaktion på Pi-sult og nitrogensult kan være relateret. "Det er grunden til, at vi analyserede nitrogensulttolerance i Arabidopsis-planten, der mangler PAH1 og PAH2, " siger Shimojima. "Vores undersøgelse styrker synspunktet om, at Pi-sult-induceret lipid-omdannelsesmekanisme også er involveret i nitrogen-sultreaktionen."

"Alle vores resultater indtil videre indikerer, at PAH1 er involveret i en form for reparationsproces eller vedligeholdelse af kloroplastmembranstrukturer, " fortsætter hun. "Men, da PAH er et cytosolisk enzym, der kan være andre essentielle proteiner involveret i denne mekanisme i membranen."

Yderligere undersøgelser vil være nødvendige for at afdække de molekylære mekanismer, der ligger til grund for nitrogensulttolerance, og for at undersøge, hvordan denne viden kan bruges i landbrugs- og bioteknologiske anvendelser.