Undersøgelse viser forbedret rodvækst i radiocæsiumforurenet jord

Forskere ved RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) har identificeret en måde, hvorpå planter kan opnå resistens over for cæsium, et radioaktivt toksin, der kan findes i forurenet jord. Efter at have manipuleret en specifik biologisk signalvej, var planter i stand til at modstå cæsiumstress, hvilket betyder, at deres vækst var mindre hæmmet, i det mindste i rødderne. Disse resultater vil påvirke udviklingen af ​​planter, der er i stand til at vokse i cæsium-forurenet jord og under andre udfordrende forhold.

Plantens modstandsdygtighed er afhængig af evnen til at fornemme og reagere på omgivelserne. Fra luften, de indånder, til jorden, hvor de vokser, finjusterer planter deres vækst, så de trives under specifikke forhold. Men nogle ændringer i miljøet kan ikke overvindes så let. Ledet af Ryoung Shin spørger RIKEN CSRS-teamet, hvad vi kan gøre for at hjælpe planter, når deres miljø bliver forurenet med giftige stoffer som cæsium.

I kølvandet på 2011 Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant-katastrofen i Japan vendte forskere deres opmærksomhed mod at forstå, hvordan planter reagerer på radiocæsium, et giftigt element, der frigives til miljøet efter nukleare ulykker. For at vokse normalt skal planterne optage kalium fra jorden.

Men når cæsium er til stede, optager det kaliumkanalerne eller åbningerne i cellevæggen, hvilket blokerer for kaliumoptagelsen og hæmmer plantevæksten. Overraskende nok havde tidligere forsøg på at blokere cæsiumoptagelsen ved at modificere kaliumkanaler den uventede konsekvens, at de forstyrrede plantevæksten endnu mere, end det blev observeret hos planter med kaliummangel. Dette fik forskere til at antage, at der findes unikke veje, der er specifikke for cæsiumakkumulering.

Shin og hendes team har brugt transkriptomprofilering, en banebrydende metode til at undersøge den genetiske aktivitet i planteceller under forskellige forhold. I deres seneste undersøgelse, offentliggjort i Planta , vendte forskerne deres fokus mod virkningerne af cæsium.

De sammenlignede væksten og genekspressionen af ​​Arabidopsis thaliana, en almindeligt studeret plante, under to stressende forhold:lavt kalium og tilstedeværelsen af ​​cæsium. Transkriptomanalyse af rodvæv dyrket under lavt kalium- og cæsiumstress afslørede signifikante ændringer i abscisinsyre (ABA) metabolisme og signalering.

Specifikt viste analysen, at ABA-signalering blev reduceret under cæsiumstress, men ikke under lavkaliumstress. Dette fik forskerne til at teoretisere, at hvis de kunne tvinge ABA-signalering til at øge, ville det gøre planterne mindre sårbare over for cæsiumforurening.

Som et proof of concept-eksperiment testede de mutante planter, hvor en vigtig ABA-regulator er inaktiv. I disse anlæg mangler den sædvanlige bremse på ABA-banen, hvilket betyder, at deres ABA-signalering fortsætter ukontrolleret på høje niveauer.

Disse mutanter udviste øget rodvækst under cæsiumstress, hvilket bekræfter vigtigheden af ​​ABA til at overvinde cæsiumstress og understreger dets kritiske rolle i planternes modstandsdygtighed. "Da skudvækst er relateret til rodvækst, forventer vi, at den samlede vækst også kan forbedres," siger Shin, "selvom det skal testes i laboratoriet."

Med modernisering, der fører til øget forurening og frigivelse af giftige forbindelser, er forståelse af planternes modstandsdygtighed afgørende for at sikre fødevaresikkerhed og økosystemsundhed.

"Disse resultater har dybtgående konsekvenser for bæredygtigt landbrug og miljøbeskyttelse," siger Shin. "I stedet for blot at blokere cæsiumoptagelsen, der er forbundet med næringsstofoptagelsen, tilbyder målretning af alternative transmissionsveje en lovende vej til at øge afgrødens modstandsdygtighed over for giftige forbindelser. Fremtiden for landbruget er lige blevet meget mere modstandsdygtig."

Flere oplysninger: Wen-Dee Ong et al, Arabidopsis transkriptomisk analyse afslører cæsiumhæmning af rodvækst involverer abscisinsyresignalering, Planta (2024). DOI:10.1007/s00425-023-04304-y

Leveret af RIKEN