Växter, liksom andra organismer, kan påverkas hårt av värmestress. För att öka sina chanser att överleva aktiverar de värmechockresponsen, en molekylär väg som också används av mänskliga och djurceller för att skydda mot stress. Forskare från Münchens tekniska universitet (TUM) har nu upptäckt att växtsteroidhormoner kan främja detta svar hos växter.

Det kan vara svårt att komma ihåg på vintern, men juli 2021 var den varmaste månaden som någonsin dokumenterats. I USA var medeltemperaturen högre än genomsnittet för juli med 2,6 grader Fahrenheit, och många sydeuropeiska länder såg temperaturer över 45 grader Celsius inklusive en rekordhög temperatur på 48,8 grader Celsius registrerad på östkusten av Sicilien i Italien.

De senaste decennierna har sett ökade förekomster av värmeböljor med rekordnivåer runt om i världen, och detta ses som ett resultat av klimatförändringarna. Värmevågor har förekommit oftare, har varit varmare och har pågått längre med allvarliga konsekvenser inte bara för människor och djur utan även för växter. "Värmestress kan negativt påverka växter i deras naturliga livsmiljöer och destabilisera ekosystem samtidigt som den drastiskt minskar skördarna, vilket hotar vår livsmedelssäkerhet", säger Brigitte Poppenberger, professor i bioteknik för trädgårdsgrödor.

Celler aktiverar en molekylär försvarsväg för skydd mot värmestress

För att överleva korta perioder av värmestress aktiverar växter en molekylär väg som kallas värmechockrespons. Denna värmechockrespons (gemensam för alla organismer) skyddar celler från skador som orsakas av proteotoxisk stress, vilket skadar proteiner. Sådan stress orsakas inte bara av värme utan kan också bero på exponering för vissa gifter, UV-ljus eller markens salthalt.

Värmechockresponsen skyddar celler på olika sätt, ett av dem är produktion av så kallade värmechockproteiner, som fungerar som molekylära sköldar som skyddar proteiner genom att förhindra felveckning.

Brassinosteroider kan öka växternas värmestressbeständighet

Växter reagerar på värmestress genom att aktivera värmechockfaktorer och även andra molekylära aktörer. I synnerhet är hormoner som kemiska budbärare inblandade. Bland de hormoner som växter producerar är brassinosteroiderna, som i första hand reglerar deras tillväxt och utveckling. Men förutom sina tillväxtfrämjande egenskaper har brassinosteroider andra intressanta förmågor, en av dem är deras förmåga att öka växternas värmestressbeständighet, och forskare vid TUM har nyligen upptäckt vad som bidrar till denna skyddsförmåga.

Med hjälp av modellväxten Arabidopsis thaliana har en forskargrupp ledd av Prof. Brigitte Poppenberger kunnat belysa hur en specifik transkriptionsfaktor – ett speciellt protein som ansvarar för att slå på eller stänga av vissa delar av DNA:t – regleras av brassinosteroider. Denna transkriptionsfaktor, som kallas BES1, kan interagera med värmechockfaktorer och därigenom tillåta genetisk information att riktas mot ökad syntes av värmechockproteiner.

När BES1-aktiviteten ökas blir växter mer motståndskraftiga mot värmestress, och när den minskar blir de känsligare för det. Dessutom har gruppen visat att BES1 aktiveras av värmestress och att denna aktivering stimuleras av brassinosteroider.

Möjliga tillämpningar inom jordbruk och trädgårdsodling

"Dessa resultat är inte bara av intresse för biologer som försöker utöka vår förståelse av värmechockresponsen utan har också potential för praktisk tillämpning inom jordbruk och trädgårdsodling", säger prof. Poppenberger.

Biostimulanter som innehåller brassinosteroider finns tillgängliga och kan testas för deras förmåga att öka motståndskraften mot värmestress hos växter. Sådana ämnen är naturprodukter som är godkända för ekologisk odling och därmed skulle kunna användas utan problem. Alternativt kan BES1 vara ett intressant mål för avelsmetoder. Detta skulle kunna användas för att skapa sorter som är mer motståndskraftiga mot värmestress och därmed ger stabilare skördar vid framtida värmeböljor.