I två publikationer beskriver Utrecht-biologer och internationella kollegor processer som används av växter för att anpassa sig till värmen. Upptäckterna ger inblick i hur växter fungerar optimalt under suboptimala höga temperaturer. Det kan också ge en språngbräda mot att kontrollera växternas tillväxt och göra dem mer motståndskraftiga mot global uppvärmning. Forskarna publicerar sina resultat i The Plant Journal och Nature Communications.
Isbjörnar i öknen
Ändå har många växtarter utvecklat sätt att klara högre temperaturer. "Till skillnad från djur kan många växter anpassa sin kroppsform som svar på värme och andra miljöfaktorer", säger forskare Martijn van Zanten, som är ansluten till Utrecht University och bidrog till båda publikationerna. ”Djur är en helt annan historia. Enkelt uttryckt, om du placerar en isbjörn i öknen kommer den fortfarande att se ut som en isbjörn med en tjock päls. Men om en växt växer under varmare förhållanden, kommer den att anpassa sin kroppsform därefter. På detta sätt försöker anläggningen fungera optimalt under dessa mindre gynnsamma förhållanden. ”
Från kompakt till öppen växtform
Många växtarter kan anpassa formen på sina stjälkar och löv för att göra dem mer motståndskraftiga mot höga temperaturer. Detta gäller också thale-krasse (Arabidopsis thaliana), som av många växtbiologer betraktas som deras favoritväxtmodell. Under kalla förhållanden är dessa växter kompakta och har bladen nära marken. När temperaturen stiger får de en mer öppen hållning. Bladen blir till exempel mer upprätta. Detta minskar direkt den direkta strålningen från solen. Dessutom sträcker sig bladstammarna så att mer vind passerar bladen och släpper ut värmen.
Önskad och oönskad stretching
Men i grödor och (klippta) blommor är denna typ av sträckning ofta oönskad. Odlare vill kontrollera dessa förändringar eftersom sträckning kan hindra produktkvaliteten. ”Men samtidigt är anpassning nödvändig för att göra grödor mer motståndskraftiga mot högre temperaturer till följd av klimatförändringar. Det behövs för att upprätthålla produktionen på längre sikt, säger Van Zanten.
Gör växter mer klimatoleranta
"Många odlade grödor har tappat förmågan att reagera bra på högre temperaturer", säger Van Zanten. "I olika grödor försvann den under tamnings- och avelsprocessen eftersom uppfödare främst fokuserade på andra egenskaper."
Med klimatförändringarna som ökar temperaturen, säger Van Zanten att det finns ett ökande behov av att göra växter mer klimatoleranta. ”Detta kräver kunskap om hur växter klarar högre temperaturer. Hur omvandlar de temperatursignalerna de får till tillväxtanpassningar? Att undersöka de molekylära mekanismerna genom vilka växter anpassar sig till suboptimal temperatur möjliggör verktyg för att justera grödans arkitektur genom avel. ”
Molekylär mekanism slår på värmeställning
Thale krassplantor som inte längre anpassar sig till högre temperaturer kan återfå den förmågan när de utsätts för vissa kemikalier. Detta upptäcktes av ett internationellt forskargrupp under ledning av Van Zanten. Teamet testade ett stort antal ämnen på en thale cress-mutant som inte längre anpassar sig till höga temperaturer. De hittade en molekyl som kan "slå på" anpassningen till hög temperatur i unga växter, även vid låga temperaturer.
Forskarna kallar denna förening 'Heatin'. Genom att kemiskt modifiera molekylen och sedan studera vilka proteiner som kan binda till uppvärmning hittade de en grupp proteiner som kallas nitrilaser. Den identifierade undergruppen är känd för att endast förekomma i kål och relaterade arter, inklusive thale-krasse.
Tillsammans med ett växtförädlingsföretag upptäckte biologerna att kålarter verkligen svarar på uppvärmning. De upptäckte också att nitrilaserna krävs för anpassning till hög temperatur, troligen för att de möjliggör produktion av det välkända tillväxthormonet auxin. Forskarna publicerade denna upptäckt i The Plant Journal.
Ny väg för anpassning vid höga temperaturer
Publiceringen av Heatin-resultaten sammanfaller med en annan publikation, idag i Nature Communications. Forskningen leddes av forskare vid VIB-institutet i Belgien, där Van Zanten också var inblandad. Teamet upptäckte ett tidigare obeskrivet protein som reglerar hur växter anpassar sig till en varmare miljö. Proteinet fick namnet MAP4K4 / TOT3, med TOT som betyder Target of Temperature.
Anmärkningsvärt är att den TOT3-drivna processen till stor del är oberoende av alla andra signalvägar som biologer hittills har kopplat till värmeanpassning i växter. Dessutom verkar anpassningarna av TOT3 inte vara beroende av mängden och sammansättningen av ljus som lyser på en växt.
Van Zanten: ”Det finns en hel del överlappning i de molekylära mekanismerna genom vilka växter anpassar tillväxt till förändrad ljuskomposition och till hög temperatur. Med TOT3 har vi nu en faktor till hands som vi kan kontrollera tillväxt under höga temperaturer utan att störa hur växten hanterar ljus. ”
Breda applikationer
”Det som gör det ännu mer intressant”, säger Van Zanten, “är att TOT3 spelar en liknande roll i tillväxtanpassning under hög temperatur i både thale krasse och i vete. Dessa två arter är genetiskt ganska separerade från varandra. Så det erbjuder stor potential för breda applikationer. ”
Alternativ till tillväxthämmare
I slutändan kan upptäckterna av TOT3 och nitrilasernas roll hjälpa till att fortsätta odla tillräckliga grödor, även när temperaturen stiger på grund av klimatförändringen. Upptäckterna erbjuder också möjligheter att utveckla alternativ till kemikalier som nu ofta används för att hämma växttillväxt. Som ett exempel nämner Van Zanten snittblommor, som reagerar mycket starkt på temperaturvariationer. I blomsterodlingen används därför många tillväxthämmare för att hålla plantorna fina och kompakta.
"I det ögonblick du till exempel köper tulpaner har de fortfarande en fin kort stam", säger Van Zanten. ”Men efter några dagar i ditt hem börjar de hänga över kanten på vasen. De högre inomhustemperaturerna får växterna att sträcka sig, så att de så småningom går haltande och böjer. Vi hoppas att den nya kunskapen kommer att bidra till urvalet av nya blommor som sträcker sig mindre under höga temperaturer. På detta sätt kan vi minska användningen av skadliga tillväxthämmare. ”
För mer information:
Utrecht University
www.uu.nl