Planten kunnen, net als andere organismen, ernstig worden aangetast door hittestress. Om hun overlevingskansen te vergroten, activeren ze de hitteschokreactie, een moleculaire route die ook door menselijke en dierlijke cellen wordt gebruikt voor bescherming tegen stress. Onderzoekers van de Technische Universiteit van München (TUM) hebben nu ontdekt dat plantensteroïde hormonen deze reactie in planten kunnen bevorderen.

Het is misschien moeilijk te onthouden in de winter, maar juli 2021 was de warmste maand ooit gedocumenteerd. In de VS was de gemiddelde temperatuur 2,6 graden Fahrenheit hoger dan het gemiddelde voor juli, en veel Zuid-Europese landen zagen temperaturen boven de 45 graden Celsius, waaronder een recordtemperatuur van 48,8 graden Celsius aan de oostkust van Sicilië in Italië.

De afgelopen decennia zijn er wereldwijd steeds meer hittegolven met recordhoogtes geweest, en dit wordt gezien als een gevolg van klimaatverandering. Hittegolven komen vaker voor, zijn heter geweest en duren langer met ernstige gevolgen, niet alleen voor mens en dier, maar ook voor planten. "Hittestress kan planten in hun natuurlijke habitat negatief beïnvloeden en ecosystemen destabiliseren en tegelijkertijd de oogsten drastisch verminderen, waardoor onze voedselzekerheid in gevaar komt", zegt Brigitte Poppenberger, hoogleraar biotechnologie van tuinbouwgewassen.

Cellen activeren een moleculaire verdedigingsroute voor bescherming tegen hittestress

Om korte perioden van hittestress te overleven, activeren planten een moleculaire route die de hitteschokreactie wordt genoemd. Deze hitte-schokreactie (gemeenschappelijk voor alle organismen) beschermt cellen tegen schade veroorzaakt door proteotoxische stress, die eiwitten beschadigt. Dergelijke stress wordt niet alleen veroorzaakt door hitte, maar kan ook het gevolg zijn van blootstelling aan bepaalde gifstoffen, UV-licht of het zoutgehalte van de bodem.

De hitteschokreactie beschermt cellen op verschillende manieren, waaronder de productie van zogenaamde hitteschokeiwitten, die dienen als moleculaire schilden die eiwitten beschermen door verkeerd vouwen te voorkomen.

Brassinosteroïden kunnen de weerstand tegen hittestress van planten verhogen

Planten reageren op hittestress door hitteschokfactoren en ook andere moleculaire spelers te activeren. In het bijzonder zijn hormonen als chemische boodschappers betrokken. Onder de hormonen die planten produceren, zijn de brassinosteroïden, die voornamelijk hun groei en ontwikkeling reguleren. Maar naast hun groeibevorderende eigenschappen hebben brassinosteroïden nog andere interessante eigenschappen, waaronder hun vermogen om de hittestressweerstand van planten te verhogen, en onderzoekers van TUM hebben onlangs ontdekt wat bijdraagt ​​aan dit beschermende vermogen.

Met behulp van de modelplant Arabidopsis thaliana heeft een onderzoeksgroep onder leiding van prof. Brigitte Poppenberger kunnen ophelderen hoe een specifieke transcriptiefactor - een speciaal eiwit dat verantwoordelijk is voor het aan- of uitzetten van bepaalde delen van het DNA - wordt gereguleerd door brassinosteroïden. Deze transcriptiefactor, BES1 genaamd, kan interageren met hitteschokfactoren, waardoor genetische informatie kan worden gericht op een verhoogde synthese van hitteschok-eiwitten.

Wanneer de BES1-activiteit wordt verhoogd, worden planten beter bestand tegen hittestress en wanneer deze wordt verlaagd, worden ze er gevoeliger voor. Verder heeft de groep aangetoond dat BES1 wordt geactiveerd door hittestress en dat deze activering wordt gestimuleerd door brassinosteroïden.

Potentiële toepassingen in de land- en tuinbouw

"Deze resultaten zijn niet alleen interessant voor biologen die proberen ons begrip van de hitteschokreactie uit te breiden, maar hebben ook potentieel voor praktische toepassing in de land- en tuinbouw", zegt prof. Poppenberger.

Er zijn biostimulantia met brassinosteroïden beschikbaar en deze kunnen worden getest op hun vermogen om de weerstand tegen hittestress in planten te verhogen. Dergelijke stoffen zijn natuurlijke producten die zijn goedgekeurd voor biologische landbouw en dus zonder problemen kunnen worden gebruikt. Als alternatief kan BES1 een interessant doelwit zijn voor fokbenaderingen. Hiermee kunnen rassen worden gemaakt die beter bestand zijn tegen hittestress en zo een stabielere opbrengst geven bij toekomstige hittegolven.