Die regenerativen Kräfte von Pflanzen können zum Überleben im Klima beitragen

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Wie viele Hausgärtner bestätigen können, ist die Fähigkeit einiger Pflanzen, Teile von sich selbst nachwachsen zu lassen, ziemlich erstaunlich. Ein Stück Stängel abzuschneiden und in eine Tasse Wasser zu legen, kann ein ganz neues Gemüse ergeben. Aber auf mikrobiologischer Ebene haben Botaniker herausgefunden, dass Pflanzen als Reaktion auf diese Kürzungen zwischen zwei Reaktionen wählen: Regeneration und Abwehr. Eine neue Studie veröffentlicht in Entwicklungszelle untersucht, ob die Flora eher zur Regeneration als zur Verteidigung gedrängt werden könnte, um ein schnelles Wachstum zu stimulieren.

Wenn eine Pflanze auf irgendeine Weise verletzt wird, hat sie viele Möglichkeiten, sich mit den Chemikalien in ihrem Körper zu reparieren oder zu schützen. Aber wie die Studienautoren betonen, schwankt diese Antwort normalerweise zwischen beidem. Beispielsweise könnte eine einzelne Pflanze entweder ihr gebrochenes Glied nachwachsen lassen oder sich selbst schützen, indem sie Giftstoffe produziert, die Tiere abstoßen.

Um festzustellen, ob diese beiden Reaktionen nacheinander ablaufen oder ob die Abwehr immer vor der Regeneration kommt, versuchten die Forscher, die Pflanzenbiologie so zu manipulieren, dass sie in eine Richtung schwingt. Indem sie die chemischen Reaktionen veränderten, versuchten sie, die Zeit so zu verlängern Arabidopsis thaliana und Mais würde sich auf die Regeneration konzentrieren.

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Laut Kenneth Birnbaum, Professor für Biologie an der New York University und einer der Autoren der Studie, begann die Arbeit mit einigen zentralen Fragen. Woher weiß eine Pflanze, dass sie verletzt ist? Und welche ersten Schritte verbinden Verletzung mit Regeneration? Um diese Fragen zu beantworten, konzentrierte sich sein Team auf die DNA der Pflanze selbst, um zu sehen, wie sie sich in den ersten Stunden nach einer Verletzung entwickelt hat.

Durch das Setzen auf Dikotylen, eine Pflanzensorte mit zwei Stängeln wie Arabidopsisund Monokotyledonen, die wie Mais einen einzigen Stamm haben, konnten Biologen Ergebnisse für beide Hauptpflanzenarten liefern. Die Forscher begannen mit Arabidopsisoder Ackerschmalwand, die ein starker Regenerator und ein beliebtes Laborwerkzeug für Mikrobiologen ist (es war die erste Pflanze, deren gesamtes Genom sequenziert wurde). Es hat auch dünne, transparente und weit auseinander liegende Wurzeln, die die Analyse erleichtern, sagt Lieven De Veylder, Professor für Pflanzenbiotechnologie an der Universität Gent in Belgien, der nicht an der Studie beteiligt war.

Birnbaum fand heraus, dass die Glutamatrezeptor-ähnlichen Proteine ​​der Pflanzen begannen, ihren Abwehrmechanismus zu stärken, fast so, als würden sie sich auf den Kampf vorbereiten, sagt er. Diese Moleküle, die Glutamatrezeptoren im menschlichen Gehirn entsprechen, erkennen Aminosäuren für den Stoffwechsel und andere Zwecke. Sie stärken auch das Abwehrsystem einer Pflanze, wenn sie verletzt wird.

Glutamatrezeptor-ähnliche Proteine ​​in Pflanzen wirken, indem sie Kalzium in die Zellen fluten, was kleinen Arbeitspferden signalisiert, schnell zu handeln, wenn ihre Abwehrkräfte von Krankheitserregern wie Bakterien oder Pilzen durchbrochen wurden. Während die Forscher zunächst dachten, dass Kalzium den Zellen signalisiert, sich zu regenerieren, stellten sie fest, dass den Zellen tatsächlich gesagt wurde, dass sie ihre Abwehrkräfte stärken sollten.

Birnabaum sagt, sie seien bisher davon ausgegangen, dass die beiden Antworten untrennbar miteinander verbunden seien. Aber durch die Manipulation der Rezeptoren in dieser Studie entdeckten sie, dass die Pflanzen ihre Reaktionen tatsächlich trennen konnten.

Um dies zu testen, aktivierten die Autoren die Rezeptoren durch zwei unterschiedliche Prozesse. Eine Methode bestand darin, einen gentechnisch veränderten Rezeptor zu verwenden, an dem José Feijó von der University of Maryland arbeitete. Die Forscher verglichen die Verletzungsreaktion gewöhnlicher Pflanzen mit Proben, bei denen vier ihrer Glutamatrezeptor-ähnlichen Proteingene verändert waren, um ihre Reaktion zu unterdrücken. Als Ergebnis zeigte die „vierfach mutierte“ Pflanze eine erhöhte Regeneration.

Aber die Arbeit mit genetischen Mutationen ist mit vielen Unbekannten verbunden, sagt Birnbaum. Um ihre Ergebnisse zu bestätigen, verwendete das Team eine chemische Behandlung, die aus der humanen neurobiologischen Forschung übernommen wurde, um die Reaktionen von Pflanzenrezeptoren zu hemmen.

Birnbaum entdeckte, dass sie in der Lage waren, die Abwehrreaktion zu reduzieren und die regenerative Reaktion für kurze Zeit zu erhöhen, indem sie die Rezeptoren chemisch daran hinderten, Kalzium zu senden. durch beide Arabidopsis und Mais, Regenerationszeit verdoppelt. Der Regenerationserfolg wurde durch Tests wie die Fähigkeit, Wurzeln nachwachsen zu lassen, oder eine Stammzellstruktur namens Kallus gemessen.

Aber der größte Test war, zu sehen, ob die Rezeptorhemmung sowohl bei einkeimblättrigen als auch bei zweikeimblättrigen Pflanzen funktionieren würde. „Zu unserer Überraschung schnitten sie in beiden Bereichen in vielerlei Hinsicht gleich gut ab“, sagt Birnbaum. Das bedeutet für ihn, dass Abwehrsignale pflanzensortenübergreifend gleich funktionieren.

„Es ist eine Art, etwas zu sehen, das zwischen, sagen wir, Menschen und Vögeln konserviert ist“, bemerkt er.

Theoretisch könnte die Fähigkeit zur Steigerung der Regeneration genutzt werden, um die Widerstandsfähigkeit wichtiger Nutzpflanzen gegenüber dem Klimawandel zu stärken. Da ein großer Prozentsatz von Kulturpflanzen wie z Mais oder Zucker bereits gentechnisch verändert sind, wäre es nur eine weitere Möglichkeit, sie zu modifizieren, um sie widerstandsfähiger zu machen, sagt Birnbaum.

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Das Problem ist, dass einige der wichtigsten Nutzpflanzen wie Mais und Sorghum vergleichsweise schlecht für die Regeneration sind. Eine Verlängerung der Regenerationszeit dieser Pflanzen würde es ihnen ermöglichen, sich zu verbessern, falls sie mehr Schaden erleiden.

De Veylder merkt an, dass es viele mögliche Gründe gibt, darunter Unterschiede in der Zellzusammensetzung, die die Regeneration von Mais erschweren könnten. Im Vergleich zu Bäumen sagt er, dass es viele Arten gibt, die sich nach Verletzungen nicht regenerieren können. Wenn sich das ändern würde, würden die Menschen möglicherweise viele Vorteile ernten: erhöhte Biodiversität, größere Ernten, weniger Ernährungsunsicherheit und eine noch effizientere Kohlenstoffbindung.

Aber De Veylder warnt auch davor, den Sprung zu wagen, insbesondere im Hinblick auf die Extrapolation dieser Ergebnisse auf andere Arten von Kulturpflanzen. „Die meisten Menschen versuchen nur, die Komponenten zu verstehen, die Sie für Innovationen benötigen“, sagt er. „Ich glaube, es ist noch früh. Die Leute wollen zuerst das Toolkit haben, bevor sie sich mit der Ernte befassen.