Ogynnsamma miljöförhållanden innebär avsevärd stress för växter. En hög nivå av salthalt (natriumklorid, NaCl) i marken är just en sådan stressfaktor som har en negativ inverkan på växter. Försaltning är ett allvarligt problem inom jordbruket, särskilt i torra områden i världen. Biologer vid universitetet i Münster har nu för första gången upptäckt att saltstress triggar kalciumsignaler i en speciell grupp av celler i växtrötter, och att dessa signaler bildar en "natriumavkännande nisch". Forskarna identifierade också ett kalciumbindande protein (CBL8) som bidrar till salttolerans specifikt under svåra saltstressförhållanden. Resultaten av studien har nu publicerats i tidskriften Developmental Cell .

Saltstress orsakas av ackumulering av för höga saltkoncentrationer i marken. Detta hämmar växternas tillväxt och kan i slutändan leda till att växten dör. Av denna anledning är växtforskare intresserade av att få en bättre förståelse för saltstress för att föda upp salttoleranta växter. Prof. Jörg Kudla och hans team vid Institutet för biologi och växtbioteknologi vid Münster University studerade frågan om hur växter mäter intensiteten av saltstress och hur de reagerar på den. Modellväxten som de använde för sina tester var krasse (Arabidopsis thaliana), som är en medlem av den största gruppen av blommande växter - crucifers eller Brassicaceae. Dessa inkluderar många mat- och foderväxter som kål, senap och rädisor.

"Först och främst", säger Jörg Kudla, "undersökte vi Arabidopsis-rötter för att se om de hade någon typ av celler som skulle reagera speciellt på saltstress, eller om hela roten skulle visa en enhetlig reaktion. Vi gjorde också undersökningar för att se om intensiteten av saltstressen återspeglades kvantitativt i intensiteten av kalciumsignalen."

Resultatet överraskade experterna:Även om hela växtens rotsystem utsattes för stress, reagerade bara en specifik grupp celler — och bara denna grupp bildade en så kallad oligocellulär kalciumsignal. Denna grupp av celler är belägen i växtrotens differentieringszon och bildas av endast några hundra celler. Bara för jämförelse:en rot har många tusen celler. Forskare kallar detta område för den "natriumavkännande nisch".

"Denna grupp av celler," förklarar Kudla, "är inte synlig, och vi kan bara skilja dem funktionellt från andra celler med hjälp av högupplöst biosensorteknologi. Det var en tillfällig upptäckt som var extremt avslöjande - och betydelsefull." Anledningen är att det är i dessa funktionellt specialiserade celler som den primära kalciumsignalen bildas. I processen fann växtbiologerna att ju högre nivå av saltstress, desto starkare kalciumsignal.

Med andra ord kan växten ge information till organismen om intensiteten av den påträffade stressen. Detta ledde till frågan om hur växtceller kan skilja på svaga och starka kalciumsignaler för att kunna reagera därefter. I allmänhet avkodas kalciumsignaler av olika kalciumbindande proteiner som fungerar som kalciumsensorer.

CBL-proteiner viktiga för salttolerans

I växter utförs denna viktiga uppgift ofta av de så kallade CBL (calcineurin B-liknande) proteinerna. Det har varit känt sedan en tid tillbaka att CBL4-proteinet är viktigt för salttolerans, och att motsvarande mutanter utan något fungerande CBL4-protein är extremt känsliga för saltstress. I sitt arbete upptäckte forskarna att mutanter av ytterligare ett CBL-protein - CBL8 - också har minskad salttolerans. Men cbl8-mutanter - i motsats till cbl4-mutanter - visade tillväxthämning endast under allvarlig saltstress. Efter att ha utfört biokemiska analyser fann forskarna att en hög kalciumkoncentration aktiverar CBL8-proteinet - medan CBL4-proteinet också är aktivt vid lägre koncentrationer av kalcium. "Det är bara under förhållanden med hög saltstress som CBL8 hjälper till att pumpa ut salt ur anläggningen", förklarar Dr Leonie Steinhorst, som också var involverad i studien. "Det är en slags omkopplingsmekanism som styrs av koncentrationen av kalcium."

En intressant aspekt som biologerna upptäckte i detta sammanhang är utvecklingen av CBL-proteinerna. De flesta typer av spannmål — som majs, vete och korn — är så kallade enhjärtbladiga. De har bara CBL4-proteinet – med andra ord saknar de denna omkopplingsmekanism för att anpassa sig till svår saltstress. Det finns även tvåhjärtbladiga, som tobak och tomater, och man kunde i detta fall påvisa att genduplicering skedde tidigt i evolutionsprocessen och att CBL8 utvecklades utifrån detta. Som ett resultat fick dessa växter bättre möjligheter att reagera på saltstress.

"Så ett intressant tillvägagångssätt", säger Jörg Kudla, "skulle vara att introducera CBL8-proteinet i enhjärtbladiga blodblad så att även de bättre kan anpassa sig till saltstress. Detta kommer sannolikt att bli en allt viktigare åtgärd för växtförädlare i framtiden för att klara torka och saltstress bättre."

Högupplöst mikroskopi, med användning av molekylär kalciumbiosensorteknologi i växter, gjorde det möjligt att upptäcka de oligocellulära kalciumsignaler som redan beskrivits. Dessa biosensorer visualiserar förändringar i koncentrationer av bioaktiva ämnen som kalcium i celler och vävnader. Dessa studier som involverar biosensorteknologi in vivo kombinerades med andra genetiska, cellbiologiska och biokemiska metoder för att i detalj belysa de underliggande mekanismerna. + Utforska vidare

Växters immunsystem kan anpassa sig till icke-levande miljöstressorer, visar ny studie