En studie ledd av forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har funnit att två viktiga enzymer i växter som kallas PAH1 och PAH2 är avgörande för överlevnad och tillväxt under kväveutarmade förhållanden. Studien kastar nytt ljus över hur växter skulle kunna modifieras i framtiden för att öka toleransen mot näringsfattiga miljöer.

Hur växter tolererar kvävesvält är ett långvarigt mysterium. Kväve är avgörande för produktionen av aminosyror, byggstenarna i växtproteiner, och många andra komponenter som behövs för att upprätthålla livet. Forskare i Japan har nu funnit att två enzymer involverade i lipidbiosyntesen, PAH1 och PAH2, är nödvändiga för växttillväxt under kvävesvält. Fyndet främjar grundläggande kunskap om processerna som reglerar växttillväxt.

Publicerad i Gränser inom växtvetenskap , forskningen var ett resultat av samarbete mellan forskare från Tokyo Tech, University of Tokyo och Tokyo University of Pharmacy and Life Sciences.

Genom att studera en liten blommande växt som heter Arabidopsis thaliana, teamet visade att stänger av två gener, PAH1 och PAH2, (i en process som kallas dubbel knockout) ledde till ökad känslighet för kvävesvält. Arabidopsis är ett populärt val bland växtbiologer på grund av dess relativt korta livscykel (cirka två månader) och liten genomstorlek (omkring 135 megabaspar), vilket gör den idealisk för användning som modellart.

Teamet jämförde klorofyllinnehållet och fotosyntetisk aktivitet hos de dubbla knockoutväxterna, transgena växter som hade modifierats för att producera mer av (eller överuttrycka) PAH1 och PAH2, och vildtypsväxter. De dubbla knockout-växterna visade sig ha lägre klorofyllhalt än i vildtypen under kväveutarmade förhållanden. Anmärkningsvärt, laget fann att transgena växter uppvisade en högre mängd klorofyll och större fotosyntetisk aktivitet än vildtypsväxterna under kvävsvält (se figur 1).

Mie Shimojima från School of Life Science and Technology, Tokyo Tech, säger att studien bygger på cirka 20 års arbete som utförts av hennes forskargrupp om membranlipid-remodellering under oorganiska fosfat (Pi)-utarmade förhållanden.

"När växter lider av Pi-svält, fosfolipider i cellmembranen nedbryts och ersätts med glykolipider, eller sockerinnehållande lipider; det är så växter överlever Pi-bristen, "säger Shimojima." 2009, våra kollegor Yuki Nakamura och andra visade att PAH1 och PAH2 är avgörande för växttillväxt under Pi-utarmade förhållanden."

Växande bevis under de senaste åren tyder på att växternas reaktion på Pi-svält och kvävesvält kan vara relaterad. "Det är därför vi analyserade kvävesvälttolerans i Arabidopsis-växten som saknar PAH1 och PAH2, " säger Shimojima. "Vår studie förstärker uppfattningen att den Pi-svält-inducerade lipidremodelleringsmekanismen också är involverad i kvävesvältresponsen."

"Alla våra fynd hittills indikerar att PAH1 är involverad i någon form av reparationsprocess eller underhåll av kloroplastmembranstrukturer, " fortsätter hon. "Men, eftersom PAH är ett cytosoliskt enzym, det kan finnas andra essentiella proteiner involverade i denna mekanism i membranet."

Ytterligare studier kommer att behövas för att reda ut de molekylära mekanismerna som ligger till grund för kvävsvältstolerans och för att undersöka hur denna kunskap kan användas i jordbruks- och biotekniska tillämpningar.