Muterede rødder afslører, hvordan vi kan dyrke afgrøder i beskadiget jord

Et team af forskere har afsløret den genetiske hemmelighed bag, hvordan planter kan tolerere høje niveauer af aluminium i jorden, et stort problem, der nedsætter landbrugets produktivitet på verdensplan.

Holdet, ledet af University of California, Riverside, og Boyce Thompson Institute, opdagede, at en enkelt mutation i et regulatorisk gen tillader rødderne af modelplanten Arabidopsis thaliana at vokse normalt selv i meget sur jord - forhold, der typisk stunter plantens vækst og begrænse nærings- og vandoptagelsen.

Resultaterne, der er offentliggjort i dag i tidsskriftet Nature Plants, kan føre til udvikling af afgrøder, der er mere tolerante over for sur jord, og derved bidrage til at øge fødevareproduktionen og lindre global sult, sagde UCR-plantebiolog Long Jiang, som var med til at lede undersøgelsen.

Aluminium er det tredje mest udbredte grundstof i jordskorpen, og meget sur jord, der indeholder aluminium, er udbredt i mange dele af verden. Sur jord kan skyldes naturlig forvitring og kan forværres af menneskelige aktiviteter, såsom overforbrug af nitrogengødning.

Aluminiums toksiske virkninger på planter er veldokumenterede, herunder hæmmet rodvækst, reduceret vand- og næringsoptagelse og hæmning af celledeling og udvidelse. Disse virkninger kan i alvorlig grad påvirke afgrødeudbytte og kvalitet, hvilket udgør betydelige udfordringer for den globale fødevaresikkerhed.

På trods af udbredelsen og virkningen af ​​jord-aluminiumtoksicitet er de molekylære mekanismer, der ligger til grund for aluminiumtolerance i planter, ikke godt forstået. For at afhjælpe denne videnskløft satte Jiang og hans team sig for at undersøge, hvordan Arabidopsis-planter reagerer på aluminiumstress.

Ved hjælp af en genetisk screeningstilgang identificerede forskerne et enkelt gen, betegnet som ART1 (ALUMINIUM RESPONSE TRANSCRIPTION FACTOR 1), som spiller en afgørende rolle i aluminiumtolerance. ART1 koder for en transkriptionsfaktor, et protein, der regulerer ekspressionen af ​​andre gener.

Forskerne fandt ud af, at en enkelt mutation i ART1-genet førte til øget tolerance over for aluminiumstress i Arabidopsis-planter. Rødder af muterede planter viste normal vækst og udvikling selv i meget sur jord, i modsætning til de forkrøblede rødder af vildtypeplanter.

Yderligere eksperimenter afslørede, at ART1 regulerer ekspressionen af ​​flere gener involveret i aluminiumafgiftning, rodudvikling og cellulær homeostase. Ved at ændre ekspressionen af ​​disse gener hjælper ART1 planter med at klare aluminiumstress og opretholde rodvækst.

"Vores resultater giver ny indsigt i de molekylære mekanismer af aluminiumtolerance i planter," sagde Jiang. "Ved at manipulere ART1-aktivitet kan det være muligt at udvikle afgrøder med øget tolerance over for sur jord, hvilket kan have en betydelig indvirkning på fødevareproduktion og global fødevaresikkerhed."

Undersøgelsen blev støttet af tilskud fra National Science Foundation, US Department of Agriculture og China Scholarship Council.