I to publikationer beskriver Utrecht-biologer og internationale kolleger processer, der bruges af planter til at tilpasse sig varme. Opdagelserne giver indsigt i, hvordan planter fungerer optimalt under suboptimale høje temperaturer. Det kunne også give en springbræt mod at kontrollere væksten af planter og gøre dem mere modstandsdygtige over for global opvarmning. Forskerne offentliggør deres resultater i The Plant Journal og Nature Communications.
Isbjørne i ørkenen
Alligevel har mange plantearter udviklet måder til at klare højere temperaturer. "I modsætning til dyr kan mange planter tilpasse deres kropsform som reaktion på varme og andre miljøfaktorer," siger forsker Martijn van Zanten, der er tilknyttet Utrecht University og bidrog til begge publikationer. ”Dyr er en helt anden historie. Kort sagt, hvis du placerer en isbjørn i ørkenen, vil den stadig ligne en isbjørn med en tyk pels. Men hvis en plante vokser under varmere forhold, vil den tilpasse sin kropsform i overensstemmelse hermed. På denne måde forsøger anlægget at fungere optimalt under disse mindre gunstige forhold. ”
Fra kompakt til åben planteform
Mange plantearter kan tilpasse formen på deres stilke og blade for at gøre dem mere modstandsdygtige over for høje temperaturer. Dette gælder også for thale karse (Arabidopsis thaliana), der af mange plantebiologer betragtes som deres foretrukne plantemodel. Under kolde forhold er disse planter kompakte og har deres blade tæt på jorden. Når temperaturen stiger, får de en mere åben kropsholdning. Bladene bliver for eksempel mere lodrette. Dette reducerer stærkt den direkte stråling fra solen. Derudover strækker bladstilkene sig, så mere vind passerer bladene og spreder varmen.
Ønsket og uønsket strækning
Men i afgrøder og (afskårne) blomster er denne form for strækning ofte uønsket. Dyrkerne ønsker at kontrollere disse ændringer, da strækning kan hæmme produktkvaliteten. ”Men samtidig er tilpasning nødvendig for at gøre afgrøder mere modstandsdygtige over for højere temperaturer som følge af klimaændringer. Det er nødvendigt for at opretholde produktionen på længere sigt, ”siger Van Zanten.
Gør planter mere klimatolerante
”Mange dyrkede afgrøder har mistet evnen til at reagere godt på højere temperaturer,” siger Van Zanten. "I forskellige afgrøder forsvandt den under tamning og avlsproces, da opdrættere primært fokuserede på andre træk."
Da klimaforandringerne øger temperaturerne, siger Van Zanten, at der er et stigende behov for at gøre planter mere klimatolerante. ”Dette kræver viden om, hvordan planter håndterer højere temperaturer. Hvordan konverterer de temperatursignalerne, de modtager, til væksttilpasninger? Undersøgelse af de molekylære mekanismer, hvormed planter tilpasser sig suboptimal temperatur, giver mulighed for værktøjer til at justere arkitekturen af afgrøder gennem avl. ”
Molekylær mekanisme tænder for varmestilling
Thale karse planter, der ikke længere tilpasser sig højere temperaturer, kan genvinde denne evne, når de udsættes for visse kemikalier. Dette blev opdaget af et internationalt forskergruppe ledet af Van Zanten. Holdet testede et stort antal stoffer på en thale karse-mutant, der ikke længere tilpasser sig høje temperaturer. De fandt et molekyle, der kan 'tænde' tilpasningen til høje temperaturer i unge planter, selv ved lave temperaturer.
Forskerne kalder denne forbindelse 'Heatin'. Ved kemisk at ændre molekylet og derefter undersøge, hvilke proteiner der kan binde til opvarmning, fandt de en gruppe proteiner kaldet nitrilaser. Den identificerede undergruppe vides kun at forekomme i kål og beslægtede arter, herunder thale karse.
Sammen med et planteopdrætfirma opdagede biologerne, at kålarter faktisk reagerer på opvarmning. De opdagede også, at nitrilaser er nødvendige for tilpasning til høj temperatur, sandsynligvis fordi de muliggør produktion af det velkendte væksthormon auxin. Forskerne offentliggjorde denne opdagelse i The Plant Journal.
Ny vej til tilpasning til høj temperatur
Offentliggørelsen af Heatin-resultaterne falder sammen med en anden publikation i dag i Nature Communications. Denne forskning blev ledet af forskere ved VIB-instituttet i Belgien, hvor Van Zanten også var involveret. Holdet opdagede et tidligere ubeskrevet protein, der regulerer måden, hvorpå planter tilpasser sig et varmere miljø. Proteinet blev navngivet MAP4K4 / TOT3, hvor TOT betyder Target of Temperature.
Bemærkelsesværdigt er, at den TOT3-drevne proces stort set er uafhængig af alle andre signalveje, som biologer hidtil har knyttet til varmetilpasning i planter. Derudover ser tilpasningerne fra TOT3 ikke ud til at være afhængige af mængden og sammensætningen af lys, der skinner på en plante.
Van Zanten: ”Der er en stor overlapning i de molekylære mekanismer, hvormed planter tilpasser vækst til skiftende lyssammensætning og til høj temperatur. Med TOT3 har vi nu en faktor ved hånden, som vi kan kontrollere væksten under høje temperaturer uden at forstyrre den måde, planten håndterer lys på. ”
Brede applikationer
”Det, der gør det endnu mere interessant,” siger Van Zanten, “er at TOT3 spiller en lignende rolle i væksttilpasning under høj temperatur i både thale karse og i hvede. Disse to arter er genetisk ret adskilt fra hinanden. Så det giver et stort potentiale for brede applikationer. ”
Alternativ til væksthæmmere
I sidste ende kan opdagelserne af TOT3 og nitrilases rolle hjælpe med at fortsætte med at dyrke tilstrækkelige afgrøder, selv når temperaturen stiger på grund af klimaændringer. Opdagelserne giver også muligheder for at udvikle alternativer til kemikalier, der nu ofte bruges til at hæmme plantevækst. Som et eksempel nævner Van Zanten afskårne blomster, som reagerer meget stærkt på temperatursvingninger. I blomsteravl anvendes derfor mange væksthæmmere til at holde planterne pæne og kompakte.
”I det øjeblik du f.eks. Køber tulipaner, har de stadig en dejlig kort stilk,” siger Van Zanten. ”Men efter et par dage i dit hjem begynder de at hænge over kanten af vasen. De højere indetemperaturer får planterne til at strække sig, hvilket til sidst fører dem til at halte og bøje. Vi håber, at den nye viden vil bidrage til udvælgelsen af nye blomsterarter, der strækker sig mindre under høje temperaturer. På denne måde kan vi reducere brugen af skadelige væksthæmmere. ”
For mere information:
Utrecht Universitet
www.uu.nl