Teamet, som leds av University of California, Riverside, och Boyce Thompson Institute, upptäckte att en enda mutation i en regulatorisk gen tillåter rötter från modellväxten Arabidopsis thaliana att växa normalt även i mycket sur jord - förhållanden som vanligtvis hämmar växtens tillväxt och begränsa närings- och vattenupptaget.
Fynden, som publiceras idag i tidskriften Nature Plants, kan leda till utveckling av grödor som är mer toleranta mot sur jord, och därigenom bidra till att öka livsmedelsproduktionen och lindra den globala hungern, säger UCR:s växtbiolog Long Jiang, som ledde studien.
Aluminium är det tredje vanligaste grundämnet i jordskorpan, och mycket sura jordar som innehåller aluminium är utbredda i många delar av världen. Sur jord kan vara resultatet av naturlig vittring och kan förvärras av mänskliga aktiviteter, såsom överanvändning av kvävegödselmedel.
De toxiska effekterna av aluminium på växter är väl dokumenterade, inklusive hämmad rottillväxt, minskat vatten- och näringsupptag och hämning av celldelning och expansion. Dessa effekter kan allvarligt påverka skördarnas skörd och kvalitet, vilket innebär betydande utmaningar för den globala livsmedelssäkerheten.
Trots förekomsten och påverkan av jordaluminiumtoxicitet är de molekylära mekanismerna bakom aluminiumtoleransen i växter inte väl förstått. För att komma till rätta med denna kunskapsklyfta gav Jiang och hans team sig för att undersöka hur Arabidopsis-växter reagerar på aluminiumstress.
Med hjälp av en genetisk screeningmetod identifierade forskarna en enda gen, betecknad ART1 (ALUMINIUM RESPONSE TRANSCRIPTION FACTOR 1), som spelar en avgörande roll för aluminiumtolerans. ART1 kodar för en transkriptionsfaktor, ett protein som reglerar uttrycket av andra gener.
Forskarna fann att en enda mutation i ART1-genen ledde till ökad tolerans mot aluminiumstress i Arabidopsis-växter. Rötter från muterade växter visade normal tillväxt och utveckling även i mycket sur jord, i motsats till de hämmade rötterna hos vildtypsväxter.
Ytterligare experiment visade att ART1 reglerar uttrycket av flera gener involverade i aluminiumavgiftning, rotutveckling och cellulär homeostas. Genom att förändra uttrycket av dessa gener hjälper ART1 växter att klara av aluminiumstress och bibehålla rottillväxt.
"Våra fynd ger nya insikter om de molekylära mekanismerna för aluminiumtolerans i växter," sa Jiang. "Genom att manipulera ART1-aktiviteten kan det vara möjligt att utveckla grödor med ökad tolerans mot sura jordar, vilket kan ha en betydande inverkan på livsmedelsproduktion och global livsmedelssäkerhet."
Studien stöddes av anslag från National Science Foundation, U.S.A. Department of Agriculture och China Scholarship Council.
