I to publikasjoner beskriver Utrecht-biologer og internasjonale kolleger prosesser som brukes av planter for å tilpasse seg varme. Funnene gir innsikt i hvordan planter fungerer optimalt under suboptimale høye temperaturer. Det kan også være et springbrett for å kontrollere veksten av planter og gjøre dem mer motstandsdyktige mot global oppvarming. Forskerne publiserer resultatene sine i The Plant Journal og Nature Communications.
Isbjørn i ørkenen
Likevel har mange plantearter utviklet måter å takle høyere temperaturer på. "I motsetning til dyr kan mange planter tilpasse kroppsformen sin som svar på varme og andre miljøfaktorer," sier forsker Martijn van Zanten, som er tilknyttet Utrecht University og har bidratt til begge publikasjonene. «Dyr er en helt annen historie. Enkelt sagt, hvis du plasserer en isbjørn i ørkenen, vil den fortsatt se ut som en isbjørn med en tykk pels. Men hvis en plante vokser under varmere forhold, vil den tilpasse kroppsformen deretter. På denne måten prøver anlegget å fungere optimalt under disse mindre gunstige forholdene."
Fra kompakt til åpen planteform
Mange plantearter kan tilpasse formen på stilkene og bladene for å gjøre dem mer motstandsdyktige mot høye temperaturer. Dette gjelder også for thalekarse (Arabidopsis thaliana), som av mange plantebiologer anses som deres favorittplantemodell. Under kalde forhold er disse plantene kompakte og har bladene nær bakken. Når temperaturen stiger, får de en mer åpen holdning. Blader blir for eksempel mer oppreist. Dette reduserer den direkte strålingen fra solen kraftig. I tillegg vil bladstilkene strekke seg, slik at mer vind passerer bladene og sprer varmen.
Ønsket og uønsket tøying
Men i avlinger og (avskårne) blomster er denne typen strekking ofte uønsket. Dyrkere ønsker å kontrollere disse endringene siden strekking kan hemme produktkvaliteten. «Men samtidig er tilpasning nødvendig for å gjøre avlingene mer motstandsdyktige mot de høyere temperaturene som følge av klimaendringer. Det er nødvendig for å opprettholde produksjonen på lengre sikt, sier Van Zanten.
Gjør plantene mer klimatolerante
"Mange dyrkede avlinger har mistet evnen til å reagere godt på høyere temperaturer," sier Van Zanten. "I forskjellige avlinger forsvant det under domestiserings- og avlsprosessen siden oppdrettere først og fremst fokuserte på andre egenskaper."
Med klimaendringer som driver opp temperaturene, sier Van Zanten at det er et økende behov for å gjøre planter mer klimatolerante. – Dette krever kunnskap om hvordan planter takler høyere temperaturer. Hvordan konverterer de temperatursignalene de mottar til veksttilpasninger? Å forske på de molekylære mekanismene som planter tilpasser seg til suboptimal temperatur, gir verktøy for å justere arkitekturen til avlinger gjennom avl.
Molekylær mekanisme slår på varmestilling
Thale karse planter som ikke lenger tilpasser seg høyere temperaturer vises kan gjenvinne den evnen når de utsettes for visse kjemikalier. Dette ble oppdaget av et internasjonalt forskerteam ledet av Van Zanten. Teamet testet et stort antall stoffer på en thale karse-mutant som ikke lenger tilpasser seg høye temperaturer. De fant et molekyl som kan "slå på" tilpasningen til høy temperatur hos unge planter, selv ved lave temperaturer.
Forskerne kaller denne forbindelsen 'Heatin'. Ved å modifisere molekylet kjemisk og deretter studere hvilke proteiner som kan binde seg til oppvarming, fant de en gruppe proteiner kalt nitrilaser. Den identifiserte undergruppen er kjent for å forekomme bare i kål og beslektede arter, inkludert thalekarse.
Sammen med et planteforedlingsselskap oppdaget biologene at kålarter faktisk reagerer på oppvarming. De oppdaget også at nitrilasene er nødvendige for tilpasning til høy temperatur, sannsynligvis fordi de muliggjør produksjon av det velkjente veksthormonet auxin. Forskerne publiserte denne oppdagelsen i The Plant Journal.
Ny vei for høytemperaturtilpasning
Publiseringen av Heatin-resultatene faller sammen med en annen publikasjon, i dag i Nature Communications. Denne forskningen ble ledet av forskere ved VIB-instituttet i Belgia, og Van Zanten var også involvert. Teamet oppdaget et tidligere ubeskrevet protein som regulerer måten planter tilpasser seg til et varmere miljø. Proteinet ble kalt MAP4K4/TOT3, med TOT som betyr Temperaturmål.
Bemerkelsesverdig nok er den TOT3-drevne prosessen i stor grad uavhengig av alle andre signalveier som biologer så langt har knyttet til varmetilpasning i planter. I tillegg ser ikke tilpasningene av TOT3 ut til å være avhengige av mengden og sammensetningen av lys som skinner på en plante.
Van Zanten: «Det er mye overlapping i de molekylære mekanismene som planter tilpasser vekst til endret lyssammensetning og høy temperatur. Med TOT3 har vi nå en faktor for hånden som vi kan kontrollere vekst under høye temperaturer, uten å forstyrre måten planten håndterer lys på.»
Brede applikasjoner
"Det som gjør det enda mer interessant," sier Van Zanten, "er at TOT3 spiller en lignende rolle i veksttilpasning under høy temperatur i både thalekarse og i hvete. Disse to artene er genetisk adskilt fra hverandre. Så det gir et stort potensial for brede bruksområder."
Alternativ til veksthemmere
Til syvende og sist kan oppdagelsene av TOT3 og rollen til nitrilaser bidra til å fortsette å dyrke tilstrekkelige avlinger, selv når temperaturen stiger på grunn av klimaendringer. Funnene gir også muligheter for å utvikle alternativer til kjemikalier som nå ofte brukes for å hemme plantevekst. Som eksempel nevner Van Zanten snittblomster, som reagerer veldig sterkt på temperatursvingninger. I blomsterdyrkingen brukes derfor mange veksthemmere for å holde plantene fine og kompakte.
"I det øyeblikket du kjøper tulipaner, for eksempel, har de fortsatt en fin kort stilk," sier Van Zanten. "Men etter noen dager i hjemmet ditt begynner de å henge over kanten på vasen. De høyere innendørstemperaturene får plantene til å strekke seg, noe som til slutt fører til at de blir slappe og bøye seg. Vi håper at den nye kunnskapen vil bidra til utvalget av nye blomstersorter som strekker seg mindre under høye temperaturer. På denne måten kan vi redusere bruken av skadelige veksthemmere.»
For mer informasjon:
Universitetet i Utrecht
www.uu.nl