Frøspiring afhænger af lys i mange planter. Men ikke altid: Aethionema arabicum, en plante tilpasset udfordrende miljøforhold, gør det på sin egen måde. Her spiller fytokromerne, receptorerne for rødt og langt rødt lys, en uventet rolle i frøspiring og time denne proces til den optimale sæson.
Disse resultater er nu offentliggjort i Plantfysiologi, er et overbevisende eksempel på den evolutionære omledning af signalmoduler, der hjælper planter med at tilpasse sig deres levesteder. Undersøgelsen blev ledet af forskere ved Gregor Mendel Institute of Molecular Plant Biology (GMI) fra det østrigske videnskabsakademi.
Mens nogle plantefrø kræver lys for at spire, andre frø er ufølsomme over for eller endda hæmmet af lys. Mest indsigt i lysets rolle under frø spiring stamme fra undersøgelser med modelorganismen Arabidopsis thaliana, hvor lys er påkrævet for at sætte gang i spiringen.
I modsætning hertil er lys en stærk spiringshæmmer i andre planter, men det molekylære grundlag for denne effekt er stort set ukendt. Et team af forskere, ledet af Dr. Zsuzsanna Mérai ved Gregor Mendel Institute (GMI), brugte nu planten Aethionema arabicum (Brassicaceae) til at undersøge den molekylære mekanisme af lys-hæmmet frø spiring.
Aethionema arabicum stammer fra åbne og tørre levesteder, hvor frøspiring på overfladen under lyse, lange og varme dage ville reducere chancerne for frøplantes overlevelse. Let inhibering af spiring tolkes som en egenskab, der begrænser spiringen til køligere årstider eller til frø placeret under jorden.
I deres undersøgelse påviste Mérai og hendes kolleger, at fytokromer, lysreceptorerne for røde og langt røde bølgelængder, spiller en dobbelt rolle i responsen på lys i Aethionema; de kan stimulere, men også hæmme spiringen. Ved at måle lysintensitet og varighed gennem phytochromes, får frøene information om dagslængden og dermed om årstiden.
En cypriotisk variant hjælper med at forstå lyshæmning
Mérai og hendes kolleger bruger frø af en Aethionema-variant, der stammer fra Cypern (CYP), som ikke spirer ved udsættelse for hvidt lys. I dets naturlige omgivelser, CYP-varianten spirer først i det tidlige forår, når dagene er relativt korte, og temperaturerne er kølige. Dette gør det muligt for planten at fuldføre sin livscyklus før den tørre sommersæson.
Mérai søgte at undersøge mekanismen for lyshæmning i Aethionema CYP ved at skabe en samling af mutageniserede frø, som de screenede for mutanter, der også kunne spire i hvidt lys, i modsætning til den oprindelige linje. Nu karakteriserede forskerne én mutant ved molekylært niveau.
De kaldte det "koy-1" efter Koyash, solens gud i den tyrkiske mytologi. De demonstrerede, at dens mutation påvirkede HEME OXYGENASE 1, et nøglegen, der kræves til biosyntesen af kromoforer, de lysdetekterende molekyler af fytokromer. Denne mutation begrænser mængden af kromoforproteinet og er ansvarlig for den ændrede lysfølsomhed af koy-1.
Fytokromernes dobbelte rolle muliggør miljøtilpasning
Koy-1-mutanten tillod Mérai og hendes kolleger at afsløre yderligere mekanistiske detaljer. "Ved at variere lysintensitet, bølgelængde og varighed var vi i stand til at dissekere komplekse lysresponsmønstre forbundet med phytochromes i Aethionema," siger Mérai. i Aethionema frøspiring."
Deres eksperimenter viste, at høj lysintensitet og varighed kraftigt hæmmede spiring, hvorimod kort eksponering favoriserede spiring. Disse to modsatte reaktioner på lys skyldes forskellige proportioner mellem to nøglehormoner: den spiringshæmmende abscisinsyre (ABA) versus den spiringsinducerende gibberellinsyre (GA).
"Vi vidste allerede, at lyseksponering i Arabidopsis resulterede i høje GA- og lave ABA-niveauer. Nu ved vi også, at Aethionema CYP reagerer på samme måde under meget begrænset lys. Men med stigende irradians går hormonniveauerne bogstaveligt talt på hovedet, hvilket resulterer i spiringshæmning,” siger Mérai. "De modsatte reaktioner på lysintensitet og varighed har et genetisk grundlag og er en tilpasning til planternes naturlige miljø, hvilket gør det muligt for Aethionema CYP at spire i det tidlige forår, men ikke senere."
Evolution arbejder med omledningsmoduler
Ved at afsløre, at de samme molekylære spillere kunne mediere diametralt modsatte effekter, dokumenterer holdet, hvordan evolutionen kan have "rewired" eksisterende moduler til at reagere tilstrækkeligt på miljøkrav. Med sådanne kombinatoriske variationer, dokumenteret i flere organismer, kan evolutionen opnå "hurtige" ændringer uden behov for nye spillere til at udvikle sig fra bunden.
"Vores resultater baner vejen for en bedre forståelse af molekylære processer i naturen og biodiversiteten ved at studere ikke-modelorganismer og ikke-afgrødeplanter. Den videnskabelige viden opnået fra Arabidopsis er essentiel, men ikke altid repræsentativ for alle planter. Her demonstrerer vi, at vi endda kunne afsløre fuldstændig modsatte molekylære mekanismer i naturen,” slutter Mérai, hvis arbejde etablerer Aethionema som en ny model til at studere lysets effekt på frø. spiring.