Artikkel

– Blader, frukt og frø detter ikke ned av seg selv!

Reidunn Aalen med planteforskernes
Prosessene som fører til at plantedeler og -organer faller av er sterkt styrt av gener og signalstoffer, forteller professor Reidunn Aalen.

– Blader, frukt og frø detter ikke ned av seg selv!

For første gang har forskere klart å fotografere hvordan rotspissen hos vårskrinneblom fornyes mens rota vokser og avsløre genene og signalstoffene som styrer prosessen. Dermed er de nærmere muligheten for å styre plantenes vekst- og fellingsprosesser, noe som blant annet kan redusere store tap i landbruket.
Rotspissen hos vårskrinneblom
Den ytterste rotkappen (mørk fiolett) hos vårskrinneblom avstøtes, mens en ny rotkappe dannes fra stamcellene (grønt og lilla) noen cellelag lenger inn. Illustrasjon:  Institutt for biovitenskap.  Bruk bildet.

Løvtrær feller bladene om høsten, eplene faller ikke langt fra stammen, blomstenes kronblader faller av og blåser vekk med vinden og så videre. Planter både lager og mister organer hele tiden, i motsetning til for eksempel mennesker – som har de samme organene gjennom hele livet.

– Men det er ikke sånn at plantedeler og -organer detter av helt av seg selv. Disse prosessene er mye sterkere styrt enn mange aner, forteller professor Reidunn Aalen ved UiOs Institutt for biovitenskap (IBV).

Komplisert samspill

Reidunn Aalen og kollegene har tidligere identifisert mekanismen som styrer at kronbladene faller av etter pollinering hos den uanselige, men hos forskere så populære planten vårskrinneblom, Arabidopsis thaliana. Da har ikke planten bruk for kronbladene lenger, og det er greit å kvitte seg med dem. Prosessen styres av et komplisert nettverk av gener og signalstoffer, viser det seg.

Fellingen av kronblader begynner med at et gen som kalles IDA (forkortelse for Inflorence deficient in abscission) blir «skrudd på» i cellene der kronbladene er festet til blomsterstilken. Genet inneholder oppskriften for produksjon av et lite peptid som også kalles IDA, det består bare av 12 aminosyrer. Det engelske uttrykket henspiller på at blomsterstanden i IDA-mutanter aldri mister kronbladene sine, det vil si at mutantene er defekte i fellingsprosessen, som kalles absisjon.

Etter at IDA-peptidet er produsert, binder det seg til reseptorer i de samme cellene. Dermed gir de cellene beskjed om å produsere enzymer som bryter ned materialet som holder cellene sammen i dette området – og så faller kronbladene av.

Vil du har flere forskningsnyheter om biologi, teknologi og andre realfag: Følg Titan.uio.no på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt

IDA-likt gen styrer også prosess i rotspissen

Nå har forskerne ved IBV gjort et nytt funn: De har påvist at et gen som koder for et peptid nært beslektet med IDA, styrer prosessen som gjør at den ytterste cellelaget i rotspissen – rotkappen – hos vårskrinneblom faller av mens rota gror. Genet og peptidet kalles IDA-LIKE1, forkortet IDL1.

Dette hadde ingen sett før forskerne klarte å fotografere det: Rotkappen løsner fra rotspissen, og det dannes et nytt cellelag i spissen. Video-opptak: Daniel von Wangenheim og Ivan Kulik.

Forskerne har attpåtil presentert en video som viser hvordan rotkappen løsner fra rotspissen og at det dannes en nytt cellelag i rotspissen. Hvis cellene i rotspissen lager mer peptid, går prosessen fortere, og hvis reseptoren som skal «lese» peptidet er mutert, går prosessen langsommere eller stanser helt opp.

– Dette har ingen klart å vise før. Vi er de første norske forskerne som har fått publisert en vitenskapelig artikkel i Nature Plants, og det er jeg stolt av, sier Aalen. Artikkelen har vakt stor interesse, noe som er dokumentert i tidsskriftets oppmerksomhetsregistrering eller «Altimetric score».

Planteforskernes bananflue

VÅRSKRINNEBLOM

  • Vårskrinneblom, Arabidopsis thaliana, er en ettårig planteart i korsblomstfamilien.
  • 5–30 cm høy, med stjernehårete blad og hvite blomster.
  • Vårplanter som visner tidlig, vokser på knauser og tørr bakke nord til Troms.
  • Vårskrinneblom brukes som modellplante («plantebiologenes bananflue»), til studier av planters molekylærbiologi, fysiologi, vekst og utvikling.

Kilde: Store norske leksikon: Vårskrinneblom, 15.08.18

I artikkelen i Nature Plants viser forskerne i detalj hvordan rotkappen løsner fra spissen av rota hos vårskrinneblom. Men dette handler ikke bare om vårskrinneblom, for dette vesle ugraset er en såkalt modellorganisme og planteforskernes «bananflue». Når forskerne finner noe interessant i vårskrinneblom, betyr det som regel at det samme funnet også gjelder mange andre planter.

– Vi publiserte en artikkel i 2015 som viste at IDA-gener eller IDA-liknende gener med tilhørende peptider og reseptorer finnes nesten overalt i den store gruppen som kalles blomsterplanter eller dekkfrøete planter (angiospermer). Etterpå har også mange andre forskere begynt å interessere seg for IDA. Men artene i gressfamilien (Poaceae), som også omfatter kornslagene våre, er et unntak. Kornsorter og gress har et system som er litt annerledes, forteller Aalen.

IDA er minst 175 millioner år

IDA-systemer er altså til stede i planter så forskjellige som vårskrinneblom, sitrustrær, oljepalmer, trær i poppelslekten, den kinesiske litchiplommen og så videre.

– Disse plantene står utviklingsmessig svært langt fra hverandre, men i hele dette spekteret er det bare to av de 12 aminosyrene i peptidet som varierer. Det betyr at IDA-systemet kan være minst 175 millioner gammelt, for det er omtrent så lenge siden disse blomsterplantene begynte å utvikle seg vekk fra hverandre. Alt i alt har vi funnet fem ulike, men IDA-like gener, forteller Aalen.

IBV-forskerne har også påvist at IDA-peptidet er aktivt når vårskrinne-plantens hovedrot åpner seg for å gi plass til veksten av siderøtter.

– Siderøttene begynner å vokse mens de fortsatt er inne i rota, og så må de passere gjennom tre cellelag for å komme seg ut. Det ville jo ikke være særlig smart hvis siderøttene bare trengte seg ut og skadet hovedrota, så vi har lurt på hvordan dette foregikk. Men nå har vi dokumentert at IDA-peptidet bidrar til at celleveggene mellom to lange, ytre celler i hovedrota brytes ned. Dermed åpnes en spalte slik at siderota kan slippe ut, forteller Aalen.

Rotspiss med stamceller og sensorer

Vårskrinneblom, tegning fra Nordens Flora
Tegningen av vårskrinneblom er hentet fra standardverket Nordens Flora. Illustrasjon: Carl Axel Magnus Lindman, Wikimedia Commons.

Videoen av rotspissen og rotkappen hos vårskrinneblom avslører mange viktige detaljer. Utgangspunktet er at all lengdevekst i rota foregår i spissen.

– Like innenfor rotkappen finner vi rotas stamceller; de må hele tiden produsere nye celler slik at rota vokser. I rotspissen finnes også celler som fungerer som sensorer for omgivelsene, slik at rota vokser nedover med gravitasjonen. Det ytterste cellelaget løsner og faller av med jevne mellomrom, og det må omgående lages et nytt cellelag til erstatning for dette, forteller Aalen.

Hvis ikke det skjedde, ville rotspissen bli kortere og kortere på grunn av slitasje og kollisjoner med stein og andre hindringer. Det kunne føre til at både sensorceller og stamceller gikk tapt, og det kunne stoppet veksten.

Det var en teknisk utfordring å få tatt en sammenhengende video av rotspissen hos vårskrinneblom mens den vokser. Forskerne ved IBV samarbeidet med Jiří Frimls gruppe ved Institute of Science and Technology i Østerrike for å få det til.

– De fleste mikroskoper tar bilder av et objekt som ligger flatt på en hylle. Men røtter vokser jo nedover, så her måtte vi isteden finne noen som hadde et mikroskop som kunne ta bilder sidelengs – mens rotspissen vokste nedover i en næringsløsning mellom to objektglass som sto vertikalt. Frimls gruppe har utviklet en mekanisme som gjør at rotspissen kan holdes i fokus hele tiden. Hvis ikke, ville jo rotspissen fort vokst ut av bildet, forteller Aalen.

Forskerne tror at IDL1-peptidet kan merke forholdene i bakken og dermed tilpasse frekvensen for rotkappe-avstøtning, slik at rotspissen forblir intakt.

– Tidligere visste vi lite om hvordan balansen mellom generering og tap av rotkappeceller reguleres. Men nå har vi vist at IDL1-peptidet, som altså er veldig likt IDA-peptidet i kronbladene, er uttrykt i de ytterste cellelagene i rotspissen. IDL1 kommuniserer med en reseptor som vi kaller HSL2. Den reseptoren sitter blant annet i stamcellenes membraner, forklarer Aalen.

Den samme reseptoren benyttes av IDA-peptidet i absisjonssonen nederst på blomsterorganene og i cellene som adskilles når siderøtter vokser ut.

– Et viktig neste skritt må bli at vi finner ut hvilke mekanismer som fører til at IDA- og IDL1 genene aktiveres. Når vi finner ut det, kan vi virkelig begynne å snakke om anvendelser, sier Aalen.

Store muligheter for praktisk nytte

Den nye oppdagelsen er nemlig interessant nok i seg selv, men kunnskap om IDA-systemet åpner også dørene for praktiske anvendelser med stor økonomisk verdi.

– Tenk om for eksempel bøndene kunne ha redigerte IDA-gener i plantene de dyrker, slik at frukter og frø felles mer koordinert enn i dag. Da kunne vi få mye større avlinger enn i dag uten å øke arealene eller gjødslingen, antyder Aalen.

Hun ser nemlig store muligheter for praktiske anvendelser av kunnskapen om IDA-systemene. Hun viser til at bønder hvert år taper store deler av avlingen fordi frukt, frø og nøtter modnes og faller ned på litt ulike tidspunkter. Det fører til at deler av avlingen faller til jorden før innhøstingen begynner. Hvis det ble mulig å styre absisjonsprosessen bedre, kunne bøndene få mye større avlinger på de eksisterende arealene.

Det er antakelig mulig å bruke den nye CRISPR-teknologien for genredigering til å endre IDA-genet eller reseptorgener, slik at frukt, frø og nøtter henger lenger og modnes mer koordinert. CRISPR-teknologien kunne i alle fall gjort det mulig å teste ut dette.

– Derfor er jeg skuffet over at EU-domstolen i Luxembourg i slutten av juli besluttet at CRISPR-redigerte planter er å betrakte som genmodifiserte planter og faller inn under det regelverket. Det er vanskelig for oss forskere å forstå den avgjørelsen, for her er risikoen svært liten ettersom det ikke er snakk om å introdusere fremmed DNA i en plante. Til gjengjeld er de potensielle gevinstene store, påpeker Aalen.

Massiv forskningsinnsats

Det er en massiv forskningsinnsats som ligger bak den nye kunnskapen om IDA-systemene. Reidunn Aalen oppdaget i 1998 en plante som ikke kastet alle kronbladene sine, trass i at dens tid var omme. Reidunn Aalen, Melinka Butenko og kolleger ved IBV publiserte den første vitenskapelige artikkelen om IDA allerede i 2003. En rekke master-, PhD-studenter og post.doc.er samt utenlandske samarbeidspartnere har vært involvert i de 15 årene som er gått siden det.

Kontaktperson:

Professor Reidunn Aalen, Seksjon for genetikk og evolusjonsbiologi, Institutt for biovitenskap

Vitenskapelige artikler:

Chun-Lin Shi, Daniel von Wangenheim, Ullrich Herrmann, Mari Wildhagen, Ivan Kulik, Andreas Kopf, Takashi Ishida, Vilde Olsson, Mari Kristine Anker, Markus Albert, Melinka A. Butenko, Georg Felix, Shinichiro Sawa, Manfred Claassen, Jiří Friml & Reidunn B. Aalen: The dynamics of root cap sloughing in Arabidopsis is regulated by peptide signalling. Nature Plants volume 4, pages 596–604, 2018.

Ida M. Stø, Russell J. S. Orr, Kim Fooyontphanich, Xu Jin, Jonfinn M. B. Knutsen, Urs Fischer, Timothy J. Tranbarger, Inger Nordal and Reidunn B. Aalen: Conservation of the abscission signaling peptide IDA during Angiosperm evolution: withstanding genome duplications and gain and loss of the receptors HAE/HSL2. Frontiers in Plant Science, 30 October 2015.

Les mer på Titan:

Mer informasjon:

Johan L. Tønnesson: Reidunn Aalen: Med gener for etikk (portrettintervju). Apollon, februar 2012.

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

Hunnene av den sørlige vågehvalen kan veie opptil 14 tonn, men nå er de blitt magrere.

Endelig enighet om at den sørlige vågehvalen er blitt avmagret

De sørlige vågehvalene, som lever i havområdene rundt Antarktis, har vært gjennom en kraftig avmagring etter 1988. Men det skulle ta 11 år med diskusjoner, og til sist en heftig innsats fra norske statistikere, før Den internasjonale hvalfangstkommisjonen kom fram til den konklusjonen.

Brecht Verstraete og Hugo de Boer

Identifiserer planterester ved hjelp av "strekkoder" i DNA

Hugo de Boer og Brecht Verstraete ved Naturhistorisk museum skal bruke DNA-teknologi og molekylære metoder til å utvikle nye, raskere og enklere metoder for sikker identifisering av planter og planterester. Både tollvesenet og tilsynsmyndigheter i mange land er interessert i denne forskningen, som kan brukes til å avsløre svindel.

Andreas Carlson med de magiske dråpene som gjør at overflater kan endre egenskaper

Ny type materialer har overflate med justerbare egenskaper

Nå kommer en ny type materialer hvor overflatens egenskaper kan varieres ved å justere et magnetfelt. Da kan materialet gjøre så forskjellige ting som å fjerne biofilmer, pumpe små væskestrømmer, flytte små partikler – eller fungere som et lim som slås av og på.

Cassandra Trier slipper løs en bactrianus-spurv i Kasakhstan

Menneskets jordbruk skapte gråspurven

Småsporven gjeng i tunet - og det har den gjort i ca. 11 000 år. Forskere ved CEES og Institutt for biovitenskap har nemlig bekreftet teorien om at gråspurven som art oppstod samtidig med at menneskene lærte seg å drive landbruk.