Ongunstige omgevingscondities vormen een aanzienlijke stress voor planten. Een hoog zoutgehalte (natriumchloride, NaCl) in de bodem is net zo'n stressfactor die een negatief effect heeft op planten. Verzilting is een ernstig probleem in de landbouw, vooral in droge delen van de wereld. Biologen van de Universiteit van Münster hebben nu voor het eerst ontdekt dat zoutstress calciumsignalen in een speciale groep cellen in plantenwortels triggert, en dat deze signalen een 'natriumgevoelige niche' vormen. Ook identificeerden de onderzoekers een calciumbindend eiwit (CBL8) dat specifiek bijdraagt ​​aan zouttolerantie onder ernstige zoutstress-omstandigheden. De resultaten van het onderzoek zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Developmental Cell .

Zoutstress wordt veroorzaakt door de ophoping van te hoge zoutconcentraties in de bodem. Dit remt de plantengroei en kan er uiteindelijk toe leiden dat de plant afsterft. Plantonderzoekers zijn daarom geïnteresseerd in het beter begrijpen van zoutstress om zo zouttolerante planten te kunnen kweken. Prof. Jörg Kudla en zijn team van het Instituut voor Biologie en Biotechnologie van Planten van de Universiteit van Münster bestudeerden de vraag hoe planten de intensiteit van zoutstress meten en hoe ze erop reageren. De modelplant die ze voor hun tests gebruikten, was zandraket (Arabidopsis thaliana), een lid van de grootste groep bloeiende planten - de kruisbloemigen of Brassicaceae. Hiertoe behoren veel voedsel- en voedergewassen zoals kool, mosterd en radijs.

"Allereerst", zegt Jörg Kudla, "hebben we de wortels van Arabidopsis onderzocht om te zien of ze een celtype hadden dat speciaal op zoutstress zou reageren, of dat de hele wortel een uniforme reactie zou vertonen. We hebben ook onderzocht of de intensiteit van de zoutstress werd kwantitatief weerspiegeld in de intensiteit van het calciumsignaal."

Het resultaat verraste de experts:hoewel het hele wortelstelsel van de plant aan stress werd blootgesteld, reageerde slechts een specifieke groep cellen - en alleen deze groep vormde een zogenaamd oligocellulair calciumsignaal. Deze groep cellen bevindt zich in de differentiatiezone van de plantenwortel en wordt gevormd door slechts enkele honderden cellen. Even ter vergelijking:een wortel heeft vele duizenden cellen. Onderzoekers noemen dit gebied de 'natriumgevoelige niche'.

"Deze groep cellen," legt Kudla uit, "is niet zichtbaar, en we kunnen ze alleen functioneel onderscheiden van andere cellen door middel van biosensortechnologie met hoge resolutie. Het was een toevallige ontdekking die buitengewoon onthullend en significant was." De reden is dat het in deze functioneel gespecialiseerde cellen is dat het primaire calciumsignaal wordt gevormd. Daarbij ontdekten de plantenbiologen dat hoe hoger de zoutstress, hoe sterker het calciumsignaal.

Met andere woorden, de plant kan het organisme informatie geven over de intensiteit van de ondervonden stress. Dit leidde tot de vraag hoe plantencellen zwakke en sterke calciumsignalen kunnen onderscheiden om daarop te kunnen reageren. Over het algemeen worden calciumsignalen gedecodeerd door verschillende calciumbindende eiwitten die fungeren als calciumsensoren.

CBL-eiwitten belangrijk voor zouttolerantie

In planten wordt deze belangrijke taak vaak uitgevoerd door de zogenaamde CBL (calcineurine B-achtige) eiwitten. Het is al enige tijd bekend dat het CBL4-eiwit belangrijk is voor zouttolerantie en dat overeenkomstige mutanten zonder enig functionerend CBL4-eiwit extreem gevoelig zijn voor zoutstress. In hun werk ontdekten de onderzoekers dat mutanten van een ander CBL-eiwit - CBL8 - ook een verminderde zouttolerantie hebben. Cbl8-mutanten vertoonden echter - in tegenstelling tot cbl4-mutanten - groeiremming alleen onder ernstige zoutstress. Na biochemische analyses ontdekten de onderzoekers dat een hoge calciumconcentratie het CBL8-eiwit activeert, terwijl het CBL4-eiwit ook actief is bij lagere calciumconcentraties. "Alleen bij hoge zoutstress helpt CBL8 om zout uit de plant te pompen", legt dr. Leonie Steinhorst uit, die ook bij het onderzoek betrokken was. "Het is een soort schakelmechanisme dat wordt bestuurd door de calciumconcentratie."

Een interessant aspect dat de biologen in dit verband ontdekten, is de evolutie van de CBL-eiwitten. De meeste soorten granen, zoals maïs, tarwe en gerst, zijn zogenaamde eenzaadlobbigen. Ze hebben alleen het CBL4-eiwit, met andere woorden, ze missen dit schakelmechanisme om zich aan te passen aan ernstige zoutstress. Er zijn ook tweezaadlobbigen, zoals tabak en tomaten, en het was in dit geval mogelijk om aan te tonen dat genduplicatie vroeg in het evolutieproces plaatsvond en dat CBL8 zich daaruit ontwikkelde. Hierdoor hadden deze planten een betere kans om te reageren op zoutstress.

"Dus een interessante benadering", zegt Jörg Kudla, "zou zijn om het CBL8-eiwit in eenzaadlobbigen te introduceren, zodat ook zij zich beter kunnen aanpassen aan zoutstress. Dit wordt in de toekomst waarschijnlijk een steeds belangrijkere maatregel voor plantenveredelaars om beter omgaan met droogte en zoutstress."

Hoge resolutie microscopie, met behulp van moleculaire calcium biosensortechnologie in planten, maakte het mogelijk om de al beschreven oligo-cellulaire calciumsignalen te ontdekken. Deze biosensoren visualiseren veranderingen in concentraties van bioactieve stoffen zoals calcium in cellen en weefsels. Deze studies met in vivo biosensortechnologie werden gecombineerd met andere genetische, celbiologische en biochemische methoden om de onderliggende mechanismen in detail op te helderen. + Verder verkennen

Immuunsystemen van planten kunnen zich aanpassen aan niet-levende omgevingsstressoren, onthult nieuwe studie