Een team van wetenschappers heeft het genetische geheim ontdekt achter hoe planten hoge niveaus van aluminium in de bodem kunnen verdragen, een groot probleem dat de landbouwproductiviteit wereldwijd verlaagt.

Het team, mede geleid door de University of California, Riverside, en het Boyce Thompson Institute, ontdekte dat een enkele mutatie in een regulerend gen ervoor zorgt dat de wortels van de modelplant Arabidopsis thaliana normaal kunnen groeien, zelfs in zeer zure grond. de groei van de plant en beperken de opname van voedingsstoffen en water.

De bevindingen, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Nature Plants, zouden kunnen leiden tot de ontwikkeling van gewassen die toleranter zijn voor zure grond, waardoor de voedselproductie kan worden verhoogd en de honger in de wereld kan worden verlicht, zei UCR-plantenbioloog Long Jiang, die mede leiding gaf aan het onderzoek.

Aluminium is het derde meest voorkomende element in de aardkorst, en zeer zure bodems die aluminium bevatten, zijn in veel delen van de wereld wijdverspreid. Zure bodems kunnen het gevolg zijn van natuurlijke verwering en kunnen worden verergerd door menselijke activiteiten, zoals het overmatig gebruik van stikstofmeststoffen.

De toxische effecten van aluminium op planten zijn goed gedocumenteerd, waaronder vertraagde wortelgroei, verminderde opname van water en voedingsstoffen, en remming van celdeling en -expansie. Deze effecten kunnen ernstige gevolgen hebben voor de opbrengsten en de kwaliteit van gewassen, wat aanzienlijke uitdagingen voor de mondiale voedselzekerheid met zich meebrengt.

Ondanks de prevalentie en impact van aluminiumtoxiciteit in de bodem, zijn de moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan de aluminiumtolerantie bij planten nog niet goed begrepen. Om deze kenniskloof aan te pakken, gingen Jiang en zijn team onderzoeken hoe Arabidopsis-planten reageren op aluminiumstress.

Met behulp van een genetische screeningbenadering identificeerden de onderzoekers één enkel gen, aangeduid als ART1 (ALUMINUM RESPONSE TRANSCRIPTION FACTOR 1), dat een cruciale rol speelt bij de aluminiumtolerantie. ART1 codeert voor een transcriptiefactor, een eiwit dat de expressie van andere genen reguleert.

De onderzoekers ontdekten dat een enkele mutatie in het ART1-gen leidde tot een verhoogde tolerantie voor aluminiumstress bij Arabidopsis-planten. Wortels van gemuteerde planten vertoonden een normale groei en ontwikkeling, zelfs in zeer zure grond, in tegenstelling tot de onvolgroeide wortels van wildtype planten.

Verdere experimenten onthulden dat ART1 de expressie reguleert van meerdere genen die betrokken zijn bij aluminiumontgifting, wortelontwikkeling en cellulaire homeostase. Door de expressie van deze genen te veranderen, helpt ART1 planten om met aluminiumstress om te gaan en de wortelgroei te behouden.

“Onze bevindingen bieden nieuwe inzichten in de moleculaire mechanismen van aluminiumtolerantie in planten”, zegt Jiang. “Door de ART1-activiteit te manipuleren, kan het mogelijk zijn gewassen te ontwikkelen met een verhoogde tolerantie voor zure bodems, wat een aanzienlijke impact zou kunnen hebben op de voedselproductie en de mondiale voedselzekerheid.”

De studie werd ondersteund door subsidies van de National Science Foundation, het Amerikaanse ministerie van Landbouw en de China Scholarship Council.