Phosphor ist ein natürliches Mineral, das für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen unerlässlich ist, und die landwirtschaftlichen Phosphorreserven der Erde werden voraussichtlich in 50 bis 100 Jahren erschöpft sein. Eine neue Entdeckung von Forschern der Michigan State University und der Carnegie Institution for Science verändert ihr Verständnis der Eisentoxizität in Pflanzen, die durch niedrige Phosphorwerte verursacht wird.
„Sobald der weltweite Vorrat aufgebraucht ist, können wir keinen Phosphor mehr herstellen“, sagte Hatem Rouached, Assistenzprofessor am MSU College of Agriculture and Natural Resources und Mitglied des Plant Resilience Institute. „Idealerweise möchten wir weniger Phosphor im Boden verwenden, um Pflanzen anzubauen.“
Pflanzen nehmen Phosphor aus dem Boden auf. Wenn der Boden nicht genug Phosphor enthält, nehmen die Pflanzen mehr Eisen aus dem Boden auf, das bei höheren Konzentrationen giftig wird. Frühere Forschungen unterstützten die Idee, dass die Eisentoxizität dazu führte, dass die Wurzeln einer Pflanze aufhörten zu wachsen. Jetzt haben Forscher der MSU und der Carnegie Institution for Science zum ersten Mal Beweise dafür gefunden, dass die Pflanzenwurzeln ohne Anzeichen von Eisen früh aufhören zu wachsen. Dies verändert die Sicht der Forscher auf dieses Problem.
„Wenn Eisentoxizität die Ursache ist, warum hört die Wurzel dann auf zu wachsen, bevor sich Eisen in den Wurzeln ansammelt?“ sagte Seung Yon „Sue“ Rhee, neuer Direktor des Plant Resilience Institute der MSU am College of Natural Science und Professor der MSU Research Foundation, derzeit an der Carnegie Institution for Science. „Wir wussten, dass da noch etwas passieren muss.“
Rouached, Rhee und ihr Team nutzten Computermodelle zum Aufbau genregulatorischer Netzwerke und isolierten ein spezifisches Gen namens Arabidopsis-Wurzel-spezifische Kinase 1, das das Ziel des Rapamycin- oder TOR-Komplexes reguliert, der der wichtigste Entwicklungsregulator in Pflanzen, Pilzen und Tiere. Wenn einer Pflanze Phosphor fehlt, reguliert das Gen den TOR-Komplex herunter, der ein Signal an die Wurzel der Pflanze sendet, das Wachstum einzustellen.
„Dies ist das erste Mal, dass jemand ein Phosphormangelsignal mit einer TOR-Kinase in Gefäßpflanzen in Verbindung gebracht hat“, sagte Rhee.
Die Forscher haben dieses Verfahren zum Patent angemeldet und planen, weitere Anwendungen dieses Gens zu erforschen.
„Wir glauben, dass dies ein Wendepunkt im Bereich der mineralischen Pflanzenernährung ist“, sagte Rouached. „Wir wollen Pflanzen konstruieren, deren Wurzeln trotz Phosphorlimitierung weiter wachsen.“
Der Forschung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Aktuelle Biologie.
Mehr Informationen:
Huikyong Cho et al., ARSK1 aktiviert die TORC1-Signalgebung, um das Wachstum an die Phosphatverfügbarkeit in Arabidopsis anzupassen, Aktuelle Biologie (2023). DOI: 10.1016/j.cub.2023.03.005