Wetenschap
Onderzoek toont verbeterde wortelgroei aan in met radiocesium verontreinigde grond
Onderzoekers van het RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) hebben een manier geïdentificeerd waarop planten resistentie kunnen verwerven tegen cesium, een radioactief toxine dat in vervuilde grond kan worden aangetroffen. Na het manipuleren van een specifieke biologische signaalroute konden planten weerstand bieden aan cesiumstress, wat betekende dat hun groei minder werd belemmerd, althans in de wortels. Deze bevindingen zullen van invloed zijn op de ontwikkeling van planten die kunnen groeien in met cesium verontreinigde grond en onder andere uitdagende omstandigheden.
De veerkracht van planten is afhankelijk van het vermogen om de omgeving waar te nemen en erop te reageren. Van de lucht die ze inademen tot de grond waarin ze groeien:planten stemmen hun groei af om onder specifieke omstandigheden te kunnen gedijen. Maar sommige veranderingen in de omgeving kunnen niet zo gemakkelijk worden overwonnen. Onder leiding van Ryoung Shin vraagt het RIKEN CSRS-team wat we kunnen doen om planten te helpen wanneer hun omgeving vervuild raakt met giftige stoffen zoals cesium.
In de nasleep van de ramp met de kerncentrale in Fukushima Daiichi in Japan in 2011 richtten wetenschappers hun aandacht op het begrijpen hoe planten reageren op radiocesium, een giftig element dat na kernongevallen in het milieu terechtkomt. Om normaal te kunnen groeien, moeten planten kalium uit de grond opnemen.
Wanneer cesium echter aanwezig is, neemt het de kaliumkanalen of openingen in de celwand in beslag, waardoor de opname van kalium wordt geblokkeerd en de plantengroei wordt belemmerd. Verrassend genoeg hadden eerdere pogingen om de opname van cesium te blokkeren door kaliumkanalen te modificeren het onverwachte gevolg dat de plantengroei nog meer werd verstoord dan werd waargenomen bij planten met een tekort aan kalium. Dit bracht onderzoekers ertoe de hypothese op te stellen dat er unieke routes bestaan die specifiek zijn voor de accumulatie van cesium.
Shin en haar team gebruiken transcriptoomprofilering, een geavanceerde methode om de genetische activiteit in plantencellen onder verschillende omstandigheden te onderzoeken. In hun laatste onderzoek, gepubliceerd in Planta , richtten de onderzoekers hun aandacht op de effecten van cesium.
Ze vergeleken de groei en genexpressie van Arabidopsis thaliana, een veel bestudeerde plant, onder twee stressvolle omstandigheden:laag kaliumgehalte en de aanwezigheid van cesium. Transcriptoomanalyse van wortelweefsels gegroeid onder lage kalium- en cesiumstress onthulde significante veranderingen in het metabolisme en de signalering van abscisinezuur (ABA).
Concreet toonde de analyse aan dat de ABA-signalering verminderd was tijdens cesiumstress, maar niet tijdens stress met laag kaliumgehalte. Dit bracht de onderzoekers ertoe te theoretiseren dat als ze de ABA-signalering konden forceren om te verhogen, dit planten minder kwetsbaar zou maken voor besmetting met cesium.
Als proof of concept-experiment testten ze mutante planten waarin een belangrijke ABA-regulator inactief is. In deze fabrieken ontbreekt de gebruikelijke rem op het ABA-pad, wat betekent dat hun ABA-signalering op hoge niveaus ongecontroleerd doorgaat.
Deze mutanten vertoonden verbeterde wortelgroei onder cesiumstress, wat het belang van ABA bij het overwinnen van cesiumstress bevestigde en de cruciale rol ervan in de veerkracht van planten benadrukte. "Omdat scheutgroei gerelateerd is aan wortelgroei, verwachten we dat de algehele groei ook verbeterd kan worden", zegt Shin, "hoewel dit in het laboratorium getest zal moeten worden."
Nu modernisering leidt tot meer vervuiling en de uitstoot van giftige stoffen, is het begrijpen van de veerkracht van planten van cruciaal belang voor het waarborgen van de voedselveiligheid en de gezondheid van ecosystemen.
"Deze bevindingen hebben diepgaande gevolgen voor duurzame landbouw en milieubescherming", zegt Shin. "In plaats van eenvoudigweg de opname van cesium te blokkeren die gekoppeld is aan de opname van voedingsstoffen, biedt het richten op alternatieve transmissieroutes een veelbelovende mogelijkheid om de resistentie van gewassen tegen toxische verbindingen te verbeteren. De toekomst van de landbouw is zojuist een stuk veerkrachtiger geworden."