Een onderzoek onder leiding van onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) heeft aangetoond dat twee belangrijke enzymen in planten, PAH1 en PAH2 genaamd, van cruciaal belang zijn voor overleving en groei onder stikstofarme omstandigheden. De studie werpt nieuw licht op hoe planten in de toekomst kunnen worden aangepast om de tolerantie voor voedselarme omgevingen te vergroten.

Hoe planten stikstofgebrek verdragen, is een al lang bestaand mysterie. Stikstof is essentieel voor de aanmaak van aminozuren, de bouwstenen van plantaardige eiwitten, en vele andere componenten die nodig zijn om het leven in stand te houden. Onderzoekers in Japan hebben nu ontdekt dat twee enzymen die betrokken zijn bij de biosynthese van lipiden, PAH1 en PAH2 genaamd, essentieel zijn voor plantengroei tijdens stikstofgebrek. De bevinding bevordert de fundamentele kennis van de processen die de plantengroei reguleren.

Gepubliceerd in Grenzen in de plantenwetenschappen , het onderzoek was het resultaat van een samenwerking tussen wetenschappers van Tokyo Tech, de Universiteit van Tokyo en Tokyo University of Pharmacy and Life Sciences.

Door een kleine bloeiende plant genaamd Arabidopsis thaliana te bestuderen, het team toonde aan dat het uitschakelen van twee genen, PAK1 en PAK2, (in een proces dat bekend staat als dubbele knock-out) leidde tot een verhoogde gevoeligheid voor stikstofgebrek. Arabidopsis is een populaire keuze onder plantenbiologen vanwege de relatief korte levenscyclus (van ongeveer twee maanden) en kleine genoomgrootte (van ongeveer 135 megabasenparen), waardoor het ideaal is voor gebruik als modelsoort.

Het team vergeleek het chlorofylgehalte en de fotosynthetische activiteit van de dubbele knock-outplanten, transgene planten die gemodificeerd waren om meer PAH1 en PAH2 te produceren (of tot overexpressie te brengen) en wildtype planten. De dubbele knock-outplanten bleken een lager chlorofylgehalte te hebben dan in het wildtype onder stikstofarme omstandigheden. Opmerkelijk, het team ontdekte dat transgene planten een hogere hoeveelheid chlorofyl en een grotere fotosynthetische activiteit vertoonden dan de wildtype planten onder stikstofgebrek (zie figuur 1).

Mie Shimojima van de School of Life Science and Technology, Tokio Tech, zegt dat de studie voortbouwt op ongeveer 20 jaar werk van haar onderzoeksgroep over het hermodelleren van membraanlipiden onder anorganische fosfaat (Pi)-verarmde omstandigheden.

"Als planten Pi-honger lijden, fosfolipiden in de celmembranen worden afgebroken en vervangen door glycolipiden, of suikerbevattende lipiden; zo overleven planten het Pi-tekort, " zegt Shimojima. "In 2009 onze collega's Yuki Nakamura en anderen toonden aan dat PAH1 en PAH2 cruciaal zijn voor plantengroei onder Pi-verarmde omstandigheden."

Groeiend bewijs in de afgelopen jaren suggereerde dat de reactie van planten op Pi-honger en stikstofhonger gerelateerd zou kunnen zijn. "Daarom hebben we de tolerantie voor stikstofgebrek geanalyseerd in de Arabidopsis-fabriek zonder PAH1 en PAH2, ", zegt Shimojima. "Onze studie versterkt de opvatting dat het door Pi-verhongering geïnduceerde lipide-remodelleringsmechanisme ook betrokken is bij de reactie op stikstofuithongering."

"Al onze bevindingen tot nu toe wijzen erop dat PAH1 betrokken is bij een soort reparatieproces of onderhoud van chloroplastmembraanstructuren, " vervolgt ze. "Echter, aangezien PAH een cytosolisch enzym is, er kunnen andere essentiële eiwitten betrokken zijn bij dit mechanisme in het membraan."

Verdere studies zullen nodig zijn om de moleculaire mechanismen te ontrafelen die ten grondslag liggen aan de tolerantie voor stikstofgebrek en om te onderzoeken hoe deze kennis kan worden gebruikt in landbouw- en biotechnologische toepassingen.