Vor mehr als 50 Jahren entdeckten Forscher, dass Pflanzen Kohlendioxid (CO2) Konzentrationen. Als CO2 Die Ebenen ändern sich, „atmende“ Poren in den Blättern, die Stomata genannt werden, öffnen und schließen sich und kontrollieren so die Verdunstung von Wasser, die Photosynthese und das Pflanzenwachstum. Pflanzen verlieren mehr als 90 % ihres Wassers durch Verdunstung durch Spaltöffnungen. Die Regulierung der Porenöffnung der Stomata durch CO2 ist entscheidend für die Bestimmung, wie viel Wasser Pflanzen verlieren, und ist aufgrund der zunehmenden Auswirkungen von Kohlendioxid auf das Klima und die Wasserressourcen in einer sich erwärmenden Welt von entscheidender Bedeutung.
Aber die Identifizierung des Kohlendioxidsensors und die Erklärung, wie er in Pflanzen funktioniert, ist seit langem ein Rätsel.
Mit einer Mischung aus Werkzeugen und Forschungsansätzen gelang Wissenschaftlern der University of California in San Diego kürzlich ein Durchbruch bei der Identifizierung des lang gesuchten CO2 Sensor drin Arabidopsis Pflanzen und ihre funktionierenden Teile enträtselt. UC San Diego Projektwissenschaftler Yohei Takahashi, School of Biological Sciences Distinguished Professor Julian Schroeder und ihre Kollegen identifizierten das CO2 Sensormechanismus und detailliert seine genetischen, biochemischen, physiologischen und vorhergesagten strukturellen Eigenschaften. Ihre Ergebnisse werden am 7. Dezember veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
Da die Stomataporen den Wasserverlust der Pflanzen kontrollieren, ist der Sensor für das Wassermanagement von entscheidender Bedeutung und hat Auswirkungen auf klimabedingte Dürren, Waldbrände und die Bewirtschaftung landwirtschaftlicher Nutzpflanzen.
„Für jedes aufgenommene Kohlendioxidmolekül verliert eine typische Pflanze etwa 200 bis 500 Wassermoleküle, die durch die Poren der Stomata verdunsten“, sagte Schroeder, Novartis-Lehrstuhlinhaber und Fakultätsmitglied in der Abteilung für Zell- und Entwicklungsbiologie. „Der Sensor ist extrem relevant, weil er erkennt, wann CO2 Konzentrationen steigen und bestimmt, wie viel Wasser eine Pflanze verliert, wenn Kohlendioxid aufgenommen wird.“
Eine kritische Überraschung aus der neuen Forschung war die Zusammensetzung des Sensors. Anstatt ihn auf eine einzelne Quelle oder ein einzelnes Protein zurückzuverfolgen, stellten die Forscher fest, dass der Sensor durch die Zusammenarbeit zweier Pflanzenproteine funktioniert. Diese wurden identifiziert als 1) eine Proteinkinase mit „hoher Blatttemperatur1“, bekannt als HT1, und 2) spezifische Mitglieder einer mitogenaktivierten Proteinkinasefamilie oder „MAP“-Kinaseenzym, bekannt als MPK4 und MPK12.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Pflanzen Veränderungen des CO wahrnehmen2 Konzentration durch die reversible Wechselwirkung zweier Proteine zur Regulierung der Bewegungen der Stomata“, sagte Takahashi, der jetzt am Institute of Transformative Bio-Molecules in Japan ansässig ist CO2 Aufnahme aus der Atmosphäre.“
Die Ergebnisse des Teams, die in einem Patent der UC San Diego eingereicht wurden, könnten zu Innovationen bei der effizienten Wassernutzung durch Pflanzen als CO führen2 Niveau steigen.
„Dieser Befund ist relevant für Nutzpflanzen, aber auch für Bäume und ihre tiefen Wurzeln, die Böden austrocknen können, wenn es längere Zeit nicht regnet, was zu Waldbränden führen kann“, sagte Schröder. „Wenn wir diese neuen Informationen nutzen können, um Bäumen zu helfen, besser auf CO2-Anstiege zu reagieren2 in der Atmosphäre würden sie den Boden möglicherweise langsamer austrocknen. Ebenso könnte die Wassernutzungseffizienz von Pflanzen verbessert werden – mehr Ernte pro Tropfen.“
Um ihre Sensorentdeckung weiter zu erforschen, arbeiteten die Forscher mit dem Doktoranden Christian Seitz und Professor Andrew McCammon in der Abteilung für Chemie und Biochemie zusammen. Unter Verwendung modernster Techniken erstellten Seitz und McCammon ein detailliertes Modell der komplizierten Struktur des Sensors. Das Modell implizierte Bereiche, in denen bekannt ist, dass genetische Mutationen die Fähigkeit von Pflanzen einschränken, die Transpiration als Reaktion auf Kohlendioxid zu regulieren. Die neuen Bilder zeigten, dass sich die Mutanten in einem Bereich anhäufen, in dem die beiden Sensorproteine HT1 und MPK zusammenkommen.
„Diese Arbeit ist ein wunderbares Beispiel für von Neugier getriebene Forschung, die mehrere Disziplinen zusammenbringt – von der Genetik über die Modellierung bis hin zur Systembiologie – und zu neuem Wissen führt, das der Gesellschaft helfen kann, in diesem Fall durch die Züchtung robusterer Pflanzen.“ sagte Matthew Buechner, ein Programmdirektor in der Direktion für biologische Wissenschaften der US National Science Foundation, die die Forschung unterstützte.
Die vollständige Autorenliste der Zeitung: Yohei Takahashi, Krystal Bosmans, Po-Kai Hsu, Karnelia Paul, Christian Seitz, Chung-Yueh Yeh, Yuh-Shuh Wang, Dmitry Yarmolinsky, Maija Sierla, Triin Vahisalu, J. Andrew McCammon, Jaakko Kangasjarvi, Li Zhang, Hannes Kollist, Thien Trac und Julian I. Schroeder.