Planter kan måle intensiteten af ​​saltstress

Ugunstige miljøforhold repræsenterer betydelig stress for planter. Et højt niveau af saltindhold (natriumchlorid, NaCl) i jorden er netop sådan en stressfaktor, der har en negativ indvirkning på planter. Saltisering er et alvorligt problem i landbruget, især i tørre områder af verden. Biologer ved universitetet i Münster har nu for første gang opdaget, at saltstress udløser calciumsignaler i en særlig gruppe af celler i planterødder, og at disse signaler danner en "natriumfølende niche". Forskerne identificerede også et calciumbindende protein (CBL8), der bidrager til salttolerance specifikt under alvorlige saltstressforhold. Resultaterne af undersøgelsen er nu offentliggjort i tidsskriftet Developmental Cell .

Saltstress er forårsaget af ophobning af for høje saltkoncentrationer i jorden. Dette hæmmer plantevæksten og kan i sidste ende føre til, at planten dør. Af denne grund er planteforskere interesserede i at få en bedre forståelse af saltstress for at kunne avle salttolerante planter. Prof. Jörg Kudla og hans team ved Institut for Biologi og Planters Bioteknologi ved Münster Universitet undersøgte spørgsmålet om, hvordan planter måler intensiteten af ​​saltstress, og hvordan de reagerer på det. Modelplanten, de brugte til deres test, var thalekarse (Arabidopsis thaliana), som er medlem af den største gruppe af blomstrende planter - korsblomsterne eller Brassicaceae. Disse omfatter mange føde- og foderplanter såsom kål, sennep og radiser.

"Først og fremmest," siger Jörg Kudla, "undersøgte vi Arabidopsis-rødder for at se, om de havde nogen form for celler, som ville reagere specielt på saltstress, eller om hele roden ville vise en ensartet reaktion. Vi foretog også undersøgelser for at se, om intensiteten af ​​saltstresset blev afspejlet kvantitativt i intensiteten af ​​calciumsignalet."

Resultatet overraskede eksperterne:Selvom hele plantens rodsystem var udsat for stress, reagerede kun en bestemt gruppe celler – og kun denne gruppe dannede et såkaldt oligocellulært calciumsignal. Denne gruppe af celler er placeret i planterodens differentieringszone og er kun dannet af nogle få hundrede celler. Bare til sammenligning:en rod har mange tusinde celler. Forskere kalder dette område for "natrium-sansende niche."

"Denne gruppe af celler," forklarer Kudla, "er ikke synlig, og vi kan kun skelne dem funktionelt fra andre celler ved hjælp af biosensorteknologi med høj opløsning. Det var en tilfældig opdagelse, som var ekstremt afslørende - og betydningsfuld." Årsagen er, at det er i disse funktionelt specialiserede celler, at det primære calciumsignal dannes. I processen fandt plantebiologerne ud af, at jo højere niveauet af saltstress er, jo stærkere er calciumsignalet.

Med andre ord er planten i stand til at give information til organismen om intensiteten af ​​den stødte stress. Dette førte til spørgsmålet om, hvordan planteceller kan skelne mellem svage og stærke calciumsignaler for at kunne reagere derefter. Generelt afkodes calciumsignaler af forskellige calciumbindende proteiner, der fungerer som calciumsensorer.

CBL-proteiner vigtige for salttolerance

I planter udføres denne vigtige opgave ofte af de såkaldte CBL (calcineurin B-lignende) proteiner. Det har været kendt i nogen tid, at CBL4-proteinet er vigtigt for salttolerance, og at tilsvarende mutanter uden noget fungerende CBL4-protein er ekstremt følsomme over for saltstress. I deres arbejde opdagede forskerne, at mutanter af et yderligere CBL-protein - CBL8 - også har reduceret salttolerance. Imidlertid viste cbl8-mutanter - i modsætning til cbl4-mutanter - kun væksthæmning under alvorlig saltstress. Efter at have udført biokemiske analyser fandt forskerne ud af, at en høj calciumkoncentration aktiverer CBL8-proteinet - mens CBL4-proteinet også er aktivt ved lavere koncentrationer af calcium. "Det er kun under forhold med høj saltstress, at CBL8 hjælper med at pumpe salt ud af anlægget," forklarer Dr. Leonie Steinhorst, som også var involveret i undersøgelsen. "Det er en slags omskiftermekanisme styret af koncentrationen af ​​calcium."

Et interessant aspekt, som biologerne opdagede i denne forbindelse, er udviklingen af ​​CBL-proteinerne. De fleste typer korn - såsom majs, hvede og byg - er såkaldte enkimbladede. De har kun CBL4-proteinet - med andre ord mangler de denne switch-mekanisme til at tilpasse sig alvorlig saltstress. Der findes også tokimblade, såsom tobak og tomater, og det var i dette tilfælde muligt at påvise, at genduplikation fandt sted tidligt i evolutionsprocessen, og at CBL8 udviklede sig herfra. Som følge heraf havde disse planter en bedre mulighed for at reagere på saltstress.

"Så en interessant tilgang," siger Jörg Kudla, "ville være at introducere CBL8-proteinet i monocotyledoner, så de også bedre kan tilpasse sig saltstress. Dette vil sandsynligvis blive en stadig vigtigere foranstaltning for planteavlere i fremtiden for at håndtere tørke og saltstress bedre."

Højopløsningsmikroskopi ved hjælp af molekylær calciumbiosensorteknologi i planter gjorde det muligt at opdage de oligocellulære calciumsignaler, der allerede er beskrevet. Disse biosensorer visualiserer ændringer i koncentrationer af bioaktive stoffer som calcium i celler og væv. Disse undersøgelser, der involverer in vivo biosensorteknologi, blev kombineret med andre genetiske, cellebiologiske og biokemiske metoder for i detaljer at belyse de underliggende mekanismer. + Udforsk yderligere

Planteimmunsystemer kan tilpasse sig ikke-levende miljøstressorer, afslører ny undersøgelse