Nieuw werk onder leiding van Carnegie's Zhiyong Wang ontwart een complex cellulair signaalproces dat het vermogen van planten ondersteunt om de energie die wordt verbruikt voor groei in evenwicht te brengen en zichzelf te verdedigen tegen ziekteverwekkers. Deze bevindingen, gepubliceerd in Nature Plants , laten zien hoe planten complexe cellulaire circuits gebruiken om informatie te verwerken en te reageren op bedreigingen en omgevingsomstandigheden.

"Planten hebben geen hersens zoals wij, en ze zijn misschien op hun plaats gefixeerd en niet in staat om te vluchten voor roofdieren of ziekteverwekkers, maar heb geen medelijden met hen, want ze hebben een ongelooflijk netwerk van informatieverwerkende circuits ontwikkeld die het mogelijk maken om 'beslissingen te nemen' als reactie op de situaties waarin ze zich bevinden', legt Wang uit.

Voor de grap voegde hij eraan toe:"een plant zal nooit 'If I Only Had a Brain' zingen, omdat ze in plaats daarvan dit wonder van responsieve besluitvorming hebben ontwikkeld."

Hogere planten plaatsen honderden zeer gespecialiseerde sensoren, receptorkinasen genaamd, op hun celoppervlakken om de omgeving te bewaken en om tussen cellen te communiceren. Wang's lab werkt aan het ophelderen van de moleculaire circuits die deze sensoren verbinden met specifieke cellulaire reacties, zoals groei en immuniteit. Het verbeteren van ons begrip van hoe planten cellulaire beslissingen nemen, kan technologische interventies ondersteunen voor het verbeteren van landbouwopbrengsten in het licht van een opwarmende planeet.

In dit huidige werk, gepubliceerd in Nature Plants , ontdekte het team van Wang dat twee van deze sensoren een systeem van verschillende moleculaire tags gebruiken met een eiwit dat wordt gedeeld tussen hun respectieve communicatiecircuits. Deze bevinding verbindt de groei- en immuunresponslussen, waardoor we beter begrijpen hoe planten hun belangrijkste beslissingen nemen.

Wanneer een plant een dreiging voelt, moet hij communicatieketens activeren die alarm slaan en hem vertellen de ziekteverwekker te bestrijden. Er zijn twee hoofdtypen bedreigingsdetectiemechanismen in plantencellen:het vermogen om onderscheidende chemische patronen te herkennen die op een indringer duiden, zoals componenten van een bacteriële cel, en het vermogen om een ​​verstoring te herkennen die wordt veroorzaakt door een binnendringende ziekteverwekker.

Wang en zijn onderzoeksmedewerkers - waaronder Carnegie's Chan Ho Park (de hoofdauteur), Yang Bi, Nicole Xu, Ruben Shrestha en Shouling Xu, samen met Jung-gun Kim van Stanford University en Mary Beth Mudgett en collega's van Chung-Ang University, Hanyang University en UC San Francisco hebben de rol van één enzym in biochemische signaalroutes voor beide soorten herkenning van bedreigingen getraceerd.

Met de naam BSU1 toonden de onderzoekers aan dat het een belangrijke, maar duidelijke rol speelt in twee routes:een die de groei bevordert en de andere die het alarmsysteem van de plant verhoogt.

Eén route omvat een receptor voor een lid van de klasse van plantenhormonen die brassinosteroïden worden genoemd - die Wang uitgebreid heeft bestudeerd en die cruciaal zijn voor plantengroei en -ontwikkeling, zaadkieming en vruchtbaarheid. De andere route werkt via patroonherkenningsreceptoren die gespecialiseerd zijn in het detecteren van de beweeglijke staart van een bacteriële indringer.

Bij beide routes zijn celoppervlaksensoren betrokken die, wanneer ze worden geactiveerd door externe signalen, verschillende eiwitten chemisch taggen om hun gedrag in of uit te schakelen, waarbij informatie door een reeks interacties wordt doorgegeven.

De onderzoekers waren verrast om te ontdekken dat BSU1 zich bezighoudt met twee volledig afzonderlijke interactieketens. In de brassinosteroïde-route is BSU1 betrokken bij de groei- en ontwikkelingsfuncties van het hormoon. In de patroonherkenningsroute is BSU1 betrokken bij het activeren van immuniteit bij detectie van bedreigingen. BSU1 vertaalt de codes van de verschillende sensoren door verschillende segmenten van zijn structuur te gebruiken om de chemische tag te accepteren, waarbij elke locatie een ander bericht vertegenwoordigt.

Alles bij elkaar genomen demonstreren deze resultaten de onderling verbonden complexiteit van groei en immuunrespons. Bovendien zijn ze een verbluffende onthulling van de manier waarop planten informatie opnemen, deze verwerken via biochemische circuits die een binaire computertaal nabootsen, en reageren op omgevingscondities om hun overlevingskansen te vergroten.

"Ons werk laat zien hoe een eiwit als BSU1 kan werken als een computerchip bij het verwerken van complexe informatie", concludeerde Wang. "Terwijl we ons voorbereiden op een wereld waarin klimaatverandering de stress op belangrijke voedsel- en biobrandstofgewassen verhoogt, is het van cruciaal belang dat we begrijpen hoe planten externe bedreigingen detecteren en erop reageren."