Die Kontrolle der Wurzelwachstumsrichtung könnte dazu beitragen, Ernten zu retten und den Klimawandel abzumildern

Die Kontrolle der Wurzelwachstumsrichtung könnte dazu beitragen, Ernten zu retten und den Klimawandel abzumildern

Salk-Wissenschaftler haben herausgefunden, dass der hochkonservierte Ethylen-Signalweg gezielt gesteuert werden kann, um die Richtung des Wurzelwachstums zu steuern und dadurch tiefere Wurzelsysteme zu schaffen, die Kohlenstoff festhalten und Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernen

LA JOLLA – Über der Erde strecken sich Pflanzen der Sonne entgegen. Unter der Erde graben sich Pflanzen durch die Erde. Wenn Wurzeln Wasser und Nährstoffe aus dem umgebenden Boden aufsaugen, wachsen und dehnen sie sich und entwickeln so unterschiedliche Architekturen des Wurzelsystems. Die Architektur des Wurzelsystems bestimmt, ob Wurzeln in den flachen Bodenschichten verbleiben oder steiler wachsen und tiefere Bodenschichten erreichen. Wurzelsysteme sind für das Überleben und die Produktivität der Pflanze von zentraler Bedeutung. Sie bestimmen den Zugang der Pflanze zu Nährstoffen und Wasser und damit ihre Fähigkeit, Nährstoffmangel und extremem Wetter wie Dürre standzuhalten.

Nun haben Salk-Wissenschaftler herausgefunden, dass ein bekanntes Pflanzenhormon entscheidend für die Steuerung des Wurzelwachstumswinkels ist. Die Studie, veröffentlicht in Cell Reports Am 13. Februar 2024 wurde zum ersten Mal gezeigt, dass das Hormon namens Ethylen an der Regulierung seitlicher Wurzelwinkel beteiligt ist, die Wurzelsysteme formen – was die Ergebnisse zu einer Offenbarung für Pflanzenwissenschaftler macht, die Wurzelsysteme optimieren.

Forscher in Salks Initiative zur Nutzung von Pflanzen planen nun, den Ethylen-Signalweg ins Visier zu nehmen, um Pflanzen und Nutzpflanzen zu entwickeln, die den Umweltbelastungen durch Klimawandel und Dürre standhalten, außerdem Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernen und es tief unter der Erde speichern, um zur Eindämmung des Klimawandels beizutragen.

„Tiefe Wurzeln führen zu einer dauerhafteren Kohlenstoffspeicherung im Boden und können Pflanzen widerstandsfähiger gegen Trockenheit machen. Daher ist die Möglichkeit, zu kontrollieren, wie tief Wurzeln wachsen, für Wissenschaftler, die bessere Wurzelsysteme entwickeln wollen, wirklich spannend“, sagt der leitende Autor Wolfgang Busch, Professor, Geschäftsführer der Harnessing Plants Initiative und Hess-Lehrstuhl für Pflanzenwissenschaften an der Salk. „Wir freuen uns besonders darüber, dass der von uns gefundene Signalweg bei vielen Pflanzenarten erhalten bleibt, was bedeutet, dass unsere Erkenntnisse umfassend zur Optimierung der Wurzelarchitektur in allen Landpflanzen, einschließlich Nahrungs-, Futter- und Energiepflanzen, eingesetzt werden können.“

Umweltfaktoren – wie der durchschnittliche Niederschlag oder die Fülle bestimmter Nährstoffe – können die Form des Wurzelsystems einer Pflanze beeinflussen. Der Winkel, in dem die Wurzeln wachsen, führt zu unterschiedlichen Ergebnissen in der gesamten Wurzelarchitektur, wobei horizontale Wurzelwinkel ein flacheres Wurzelsystem und vertikale Wurzelwinkel ein tieferes Wurzelsystem erzeugen. Doch die Wissenschaftler verstanden nicht genau, wie diese Wurzelwinkel auf molekularer Ebene bestimmt wurden.

Pflanzenhormone wie Auxin und Cytokinin wurden in der Vergangenheit mit dem Winkel des Wurzelwachstums in Verbindung gebracht, die Mechanismen dieses Zusammenhangs sind jedoch noch immer kaum verstanden. Bei der Suche nach Molekülen und Signalwegen, die an der Festlegung des Wurzelwachstumswinkels beteiligt sind, führte das Team ein genetisches Screening durch Arabidopsis thaliana– ein kleines blühendes Unkraut aus der Familie der Senfpflanzen – für Veränderungen des Wurzelsystems als Reaktion auf Tausende von Molekülen.

„Wir bemerkten, dass dieses Molekül namens Mebendazol dazu führte, dass die Wurzeln horizontaler wuchsen“, sagt Erstautor Wenrong He, ein ehemaliger Postdoktorand in Buschs Labor. „Als wir nach den Zielproteinen oder Signalwegen suchten, mit denen Mebendazol interagierte, um diesen Effekt zu erzielen, Wir entdeckten, dass es sich um die Signalübertragung von Ethylen handelte – und dass Ethylen eine so wichtige Rolle in der Architektur des Wurzelsystems spielt, war wirklich faszinierend.“

Das Team beobachtete, dass Gene im gesamten Ethylen-Signalweg als Reaktion auf Mebendazol aktiviert wurden und dieser Signalweg wiederum die daraus resultierenden Veränderungen im Wurzelwachstum ausführte. Eine biochemische Untersuchung dieses Zusammenhangs ergab, dass Mebendazol die Aktivität einer Proteinkinase namens CTR1 hemmt. Dieses Enzym reguliert die Ethylensignalisierung negativ und fördert so wiederum ein flaches Wurzelsystem.

„Da die Signalübertragung von Ethylen ein weithin konservierter Prozess in Landpflanzen ist, ist die gezielte Ausrichtung auf den Ethylenweg eine vielversprechende Technik für die Wurzelsystemtechnik“, sagt Busch. „Hoffentlich können wir dieses Tool jetzt nutzen, um Pflanzenarten widerstandsfähiger zu machen und Salk Ideal Plants® zu schaffen, die mehr Kohlenstoff im Untergrund binden, um den Kampf gegen den Klimawandel zu unterstützen.“

Die neu entdeckte Rolle von Ethylen in der Wurzelsystemarchitektur wirft neue Fragen auf, unter anderem ob es ein anderes Molekül gibt, das – im Gegensatz zu Mebendazol – Wurzelsysteme tiefer macht, oder ob es bestimmte Gene im bereits gut katalogisierten Ethylen-Signalweg gibt, auf die man am effektivsten abzielen kann fördern tiefere Wurzeln in Nutzpflanzen und Salk-Idealpflanzen.

Weitere Autoren sind Hai An Truong, Ling Zhang, Min Cao und Kaizhen Zhong von Salk; Neal Arakawa von der UC San Diego; Yao Xiao vom Scripps Research Institute; und Yingnan Hou von der UC Riverside und der Shanghai Jiao Tong University in China.

Die Arbeit wurde von Salks Harnessing Plants Initiative, einem Salk Women & Science Special Award, einem Pioneer Fund Postdoctoral Scholar Award, den National Institutes of Health (NIH-NCI CCSG: P30 CA01495, NIH-NIA San Diego Nathan Shock Center P30 AG068635) unterstützt. , Chapman Foundation und Helmsley Charitable Trust.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.113763