Calcium is een heel bijzondere voedingsstof. In de cellen van de meeste levende wezens fungeren calciumionen als zogenaamde tweede boodschappers om belangrijke signalen door te geven. Hetzelfde geldt in gelijke mate voor dierlijke, plantaardige en schimmelcellen. Door samenwerking van verschillende onderzoeksinstituten op nationaal en internationaal niveau, leden van de "Plant Energy Biology"-werkgroep aan de Universiteit van Münster, onder leiding van Prof. Markus Schwarzländer, en van het team onder leiding van Prof. Alex Costa aan de Universiteit van Milaan, hebben nu de moleculaire machinerie geïdentificeerd die het mogelijk maakt calciumionen op te nemen in de mitochondriën van plantencellen - en dat deze vorm van transport een belangrijke rol speelt in hun reactie op aanraking. De studie is nu gepubliceerd in het tijdschrift The Plant Cell .

Hoe de calciumionen in de mitochondriën komen

"Het is verbazingwekkend dat zo'n eenvoudig ion zo belangrijk kan zijn voor het verzenden van informatie", zegt Markus Schwarzländer. "We gaan ervan uit dat de calciumionen dit potentieel ontwikkelen door de exacte plaats en het tijdstip van hun inzet." Het is al sinds 1965 bekend dat mitochondriën in planten calciumionen kunnen opnemen en op deze manier – vermoedelijk – betrokken kunnen zijn bij calciumsignaleringsroutes. Hoe het transport precies mogelijk wordt gemaakt, werd echter decennialang betwist. Voor de meeste ionen is het binnenmembraan van de mitochondriën ondoordringbaar, maar bepaalde eiwitten in het membraan kunnen ervoor zorgen dat de calciumionen door dit gedeeltelijk permeabele membraan kunnen gaan en zo signalen in dit celorganel kunnen doorgeven.

In het geval van dieren werd de vraag naar de identiteit van het mitochondriale calciumkanaal in 2011 opgelost toen onderzoekers van de universiteiten van Harvard en Padua het calciumkanaal MCU (mitochondrial calcium uniporter) ontdekten. Deze doorbraak maakte de weg vrij voor de ontdekking dat planten ook MCU-genen bevatten. Wat echter nog onduidelijk was, was of deze genen ook calciumkanalen vormen in de levende cel, niet in de laatste plaats omdat de opname van calciumionen in dierlijke mitochondriën duidelijk andere patronen vertoont dan die in plantaardige mitochondriën.

Genexpressie onthult het belang van calciumionentransport voor cellulaire krachtcentrales

Om de rol van MCU's in plantencellen te verduidelijken, moesten de Münster-onderzoekers tegelijkertijd drie van de zes MCU-genen in de modelplant Arabidopsis thaliana deactiveren. Als gevolg hiervan beperkten ze de capaciteit van de cellulaire machinerie en waren ze dus in staat om voor het eerst in een levende plant de gevolgen waartoe deze beperking leidt waar te nemen. Hiervoor gebruikten ze een fluorescerend eiwit dat veranderingen in de concentratie van calciumionen in de mitochondriën in de vorm van een lichtsignaal aangeeft.

Wat te zien was, was dat, doordat de MCU-genen waren gedeactiveerd, er veel minder calciumionen in de mitochondriën terechtkwamen. Dit betekent dat de onderzoekers niet alleen hebben aangetoond dat levende plantencellen - net als dierlijke cellen - hun calciumionen via de MCU-kanalen naar de mitochondriën transporteren. "We waren ook in staat", zegt Markus Schwarzländer, "aan te tonen dat dit verreweg het belangrijkste pad is voor het snel transporteren van calciumionen naar de mitochondriën. Het betekent dat we nu de mogelijkheid hebben om de signaaloverdracht door calciumionen naar de cellulaire kracht te regelen. zenders en beïnvloeden zo mogelijk de gecodeerde informatie."

Na deze baanbrekende observatie gebruikte het team planten met een verminderde mitochondriale calciumtransportcapaciteit om uit te zoeken welke rol mitochondriaal calcium speelt voor de plant en zijn fitheid. In het geval van dieren reguleren calciumionen in de mitochondriën de energieproductie, maar er waren geen aanwijzingen voor een vergelijkbare functie in planten.

Door de expressie van het gehele plantengenoom te analyseren, konden de onderzoekers nu aantonen dat de verminderde transportcapaciteit voor calciumionen invloed heeft op de regulatie van het plantenhormoon jasmonzuur. Jasmonzuur is een afweerhormoon in planten dat bescherming biedt tegen herbivoren door te worden geactiveerd als de plant gewond raakt. Jasmonzuur regelt onder andere ook veroudering, d.w.z. het gereguleerde afsterven van weefsels - evenals reacties op mechanische stimuli zoals aangeraakt worden.

De door de onderzoekers gemanipuleerde planten vertoonden een iets vertraagde veroudering:in een donkere omgeving verloren de bladeren hun groene pigmentatie minder snel. Ze vertoonden ook een duidelijk zwakkere reactie op aanraking. "Wat voor ons vooral verrassend is", zegt Schwarzländer, "is dat er duidelijk een verband bestaat tussen het transport van calciumionen naar de mitochondriën en het regulerende proces dat wordt aangestuurd door het jasmonzuur. De resultaten laten zien dat moleculaire processen zoals de opname van calciumionen in de mitochondriën, die door evolutie in dieren en planten zijn geconserveerd, kunnen worden gebruikt om nieuwe functies te vervullen."

Een gerichte herprogrammering van mitochondriaal calciumtransport lijkt een interessante mogelijkheid, omdat het controleren van de reactie op aanraking nuttig zou kunnen zijn, bijvoorbeeld in de landbouw, waar planten vaak dicht bij elkaar worden geplant.

Onderzoek met synthetische biosensoren

Een van de centrale methoden die in de nu gepubliceerde studie werden gebruikt, was 'in vivo biosensorica'. Hier worden eiwitten - met moleculair-biologische en biotechnologische methoden - zo ontworpen dat ze dienen als synthetische meetsensoren in levende organismen. Wanneer planten genetisch worden getransformeerd, produceren ze zelf een sensor die live informatie geeft over de status van cellen in levende planten. Bovendien kunnen deze biologische sensoren worden gebruikt voor meetdoeleinden in specifieke delen van de cel. Dit wordt bereikt door ze genetisch in een bepaald compartiment van de cel te plaatsen. Dit doen met traditionele methoden is moeilijk, omdat bij dergelijke methoden de cel meestal wordt verbroken, wat ertoe leidt dat alle organisatie in de cel verloren gaat.