Forskare vid RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) har identifierat ett sätt för växter att få resistens mot cesium, ett radioaktivt toxin som kan hittas i förorenad jord. Efter att ha manipulerat en specifik biologisk signalväg kunde växter motstå cesiumstress, vilket innebär att deras tillväxt var mindre hämmad, åtminstone i rötterna. Dessa fynd kommer att påverka utvecklingen av växter som kan växa i cesiumförorenad jord och under andra utmanande förhållanden.

Växtens motståndskraft är beroende av förmågan att känna av och reagera på miljön. Från luften de andas till jorden där de växer, finjusterar växter sin tillväxt för att trivas under specifika förhållanden. Men vissa förändringar i miljön kan inte övervinnas så lätt. Ledda av Ryoung Shin frågar RIKEN CSRS-teamet vad vi kan göra för att hjälpa växter när deras miljö blir förorenad med giftiga ämnen som cesium.

I kölvattnet av 2011 års Fukushima Daiichi kärnkraftverkskatastrof i Japan vände forskare sin uppmärksamhet mot att förstå hur växter reagerar på radiocesium, ett giftigt ämne som släpps ut i miljön efter kärnkraftsolyckor. För att växa normalt måste växter ta upp kalium från jorden.

Men när cesium är närvarande, coopterar det kaliumkanalerna eller öppningarna i cellväggen, vilket blockerar kaliumupptaget och hindrar växternas tillväxt. Överraskande nog hade tidigare försök att blockera cesiumupptaget genom att modifiera kaliumkanaler den oväntade konsekvensen att växttillväxten stördes ännu mer än vad som observerades hos kaliumbristväxter. Detta fick forskare att anta att det finns unika vägar som är specifika för cesiumackumulering.

Shin och hennes team har använt transkriptomprofilering, en banbrytande metod för att undersöka den genetiska aktiviteten i växtceller under olika förhållanden. I deras senaste studie, publicerad i Planta , fokuserade forskarna på effekterna av cesium.

De jämförde tillväxten och genuttrycket av Arabidopsis thaliana, en allmänt studerad växt, under två stressande förhållanden:lågt kalium och närvaron av cesium. Transkriptomanalys av rotvävnader odlade under låg kalium- och cesiumstress avslöjade signifikanta förändringar i abscisinsyra (ABA) metabolism och signalering.

Specifikt visade analysen att ABA-signalering minskade under cesiumstress men inte under lågkaliumstress. Detta fick forskarna att anta att om de kunde tvinga ABA-signalering att öka, skulle det göra växter mindre sårbara för cesiumkontamination.

Som ett proof of concept-experiment testade de muterade växter där en viktig ABA-regulator är inaktiv. I dessa anläggningar saknas den vanliga bromsen på ABA-vägen, vilket betyder att deras ABA-signalering fortsätter okontrollerat på höga nivåer.

Dessa mutanter uppvisade ökad rottillväxt under cesiumstress, vilket bekräftar vikten av ABA för att övervinna cesiumstress och betonar dess avgörande roll i växternas motståndskraft. "Eftersom skotttillväxt är relaterad till rottillväxt förväntar vi oss att den totala tillväxten också kan förbättras", säger Shin, "även om den måste testas i laboratoriet."

Med modernisering som leder till ökad förorening och utsläpp av giftiga ämnen är förståelse för växternas motståndskraft avgörande för att trygga livsmedelssäkerhet och ekosystems hälsa.

"Dessa resultat har djupgående konsekvenser för hållbart jordbruk och miljöskydd", säger Shin. "Istället för att bara blockera cesiumupptaget som är kopplat till näringsupptaget, erbjuder inriktning på alternativa överföringsvägar en lovande väg för att förbättra grödans motståndskraft mot giftiga föreningar. Jordbrukets framtid har precis blivit mycket mer motståndskraftig."

Mer information: Wen-Dee Ong et al, Arabidopsis transkriptomisk analys avslöjar cesiumhämning av rottillväxt involverar abscisinsyrasignalering, Planta (2024). DOI:10.1007/s00425-023-04304-y

Tillhandahålls av RIKEN