Forscher am RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) haben einen Weg für Pflanzen gefunden, Resistenz gegen Cäsium zu entwickeln, ein radioaktives Toxin, das in kontaminierten Böden vorkommt. Durch die Manipulation eines bestimmten biologischen Signalwegs waren Pflanzen in der Lage, Cäsiumstress zu widerstehen, was bedeutete, dass ihr Wachstum zumindest in den Wurzeln weniger gehemmt war. Diese Erkenntnisse werden sich auf die Entwicklung von Pflanzen auswirken, die in mit Cäsium kontaminierten Böden und unter anderen schwierigen Bedingungen wachsen können.
Die Widerstandsfähigkeit von Pflanzen beruht auf der Fähigkeit, die Umwelt wahrzunehmen und darauf zu reagieren. Von der Luft, die sie atmen, bis hin zum Boden, in dem sie wachsen: Pflanzen stimmen ihr Wachstum genau ab, um unter bestimmten Bedingungen zu gedeihen. Doch manche Veränderungen im Umfeld lassen sich nicht so einfach bewältigen. Unter der Leitung von Ryoung Shin fragt sich das RIKEN CSRS-Team, was wir tun können, um Pflanzen zu helfen, wenn ihre Umgebung mit giftigen Substanzen wie Cäsium kontaminiert wird.
Nach der Katastrophe im japanischen Kernkraftwerk Fukushima Daiichi im Jahr 2011 konzentrierten sich Wissenschaftler darauf, zu verstehen, wie Pflanzen auf Radio-Cäsium reagieren, ein giftiges Element, das nach nuklearen Unfällen in die Umwelt freigesetzt wird. Um normal zu wachsen, müssen Pflanzen Kalium aus dem Boden aufnehmen.
Wenn jedoch Cäsium vorhanden ist, blockiert es die Kaliumkanäle oder Öffnungen in der Zellwand, wodurch die Kaliumaufnahme blockiert und das Pflanzenwachstum behindert wird. Überraschenderweise hatten frühere Versuche, die Cäsiumaufnahme durch Modifizierung von Kaliumkanälen zu blockieren, die unerwartete Folge, dass das Pflanzenwachstum noch stärker gestört wurde, als dies bei Pflanzen mit Kaliummangel beobachtet wurde. Dies veranlasste die Forscher zu der Hypothese, dass es einzigartige Wege gibt, die für die Anreicherung von Cäsium spezifisch sind.
Shin und ihr Team nutzen Transkriptom-Profiling, eine hochmoderne Methode zur Untersuchung der genetischen Aktivität in Pflanzenzellen unter verschiedenen Bedingungen. In ihrer neuesten Studie veröffentlicht In Plantakonzentrierten sich die Forscher auf die Wirkung von Cäsium.
Sie verglichen das Wachstum und die Genexpression von Arabidopsis thaliana, einer häufig untersuchten Pflanze, unter zwei Stressbedingungen: niedrigem Kaliumgehalt und dem Vorhandensein von Cäsium. Die Transkriptomanalyse von Wurzelgeweben, die unter niedrigem Kalium- und Cäsiumstress gewachsen sind, ergab signifikante Veränderungen im Stoffwechsel und in der Signalübertragung von Abscisinsäure (ABA).
Konkret zeigte die Analyse, dass die ABA-Signalisierung bei Cäsiumstress reduziert war, nicht jedoch bei Stress mit niedrigem Kaliumgehalt. Dies veranlasste die Forscher zu der Theorie, dass Pflanzen weniger anfällig für eine Cäsiumkontamination wären, wenn sie eine Verstärkung der ABA-Signalübertragung erzwingen könnten.
Als Proof-of-Concept-Experiment testeten sie mutierte Pflanzen, in denen ein wichtiger ABA-Regulator inaktiv ist. In diesen Pflanzen fehlt die übliche Bremse des ABA-Signalwegs, was bedeutet, dass ihre ABA-Signalisierung bei hohen Konzentrationen unkontrolliert weiterläuft.
Diese Mutanten zeigten unter Cäsiumstress ein verstärktes Wurzelwachstum, was die Bedeutung von ABA bei der Überwindung von Cäsiumstress bestätigt und seine entscheidende Rolle für die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen unterstreicht. „Da das Sprosswachstum mit dem Wurzelwachstum zusammenhängt, gehen wir davon aus, dass auch das Gesamtwachstum verbessert werden kann“, sagt Shin, „obwohl dies noch im Labor getestet werden muss.“
Da die Modernisierung zu einer erhöhten Umweltverschmutzung und der Freisetzung toxischer Verbindungen führt, ist das Verständnis der Widerstandsfähigkeit der Pflanzen von entscheidender Bedeutung für die Gewährleistung der Ernährungssicherheit und der Gesundheit des Ökosystems.
„Diese Ergebnisse haben tiefgreifende Auswirkungen auf eine nachhaltige Landwirtschaft und den Umweltschutz“, sagt Shin. „Anstatt einfach die Cäsiumaufnahme zu blockieren, die mit der Nährstoffaufnahme verbunden ist, bietet die gezielte Ausrichtung auf alternative Übertragungswege einen vielversprechenden Weg, die Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen gegenüber toxischen Verbindungen zu erhöhen. Die Zukunft der Landwirtschaft ist jetzt viel widerstandsfähiger geworden.“
Mehr Informationen:
Wen-Dee Ong et al.: Die transkriptomische Analyse von Arabidopsis zeigt, dass die Hemmung des Wurzelwachstums durch Cäsium an der Signalübertragung von Abscisinsäure beteiligt ist. Planta (2024). DOI: 10.1007/s00425-023-04304-y