Munich, Germany
October 26, 2020
Caroline Gutjahr, Professor of Plant Genetics at the TUM School of Life Sciences, looks at the seedlings of the plant Lotus japonicus in a walk-in climate chamber for controlled plant propagation. - Image: Uli Benz / TUM
The dynamic change in root growth of plants plays an important role in their adjustment to soil conditions. Depending on the location, nutrients or moisture can be found in higher or lower soil layers. This is why, depending on the situation, a short or a long root is advantageous. Caroline Gutjahr, Professor of Plant Genetics at the Technical University of Munich (TUM), and her team investigate how plant hormones influence the growth of roots.
Roots are essential for reaching water and nutrients, for anchorage to the ground, but also for interacting and communicating with microorganisms in the soil. A long root enables the plant to reach deeper, more humid layers of soil, for example during drought. A shallower root with many root hairs is good for phosphate uptake, as phosphate is mostly found in the upper soil layers.
Caroline Gutjahr, Professor of Plant Genetics at the TUM School of Life Sciences in Weihenstephan, and her team discovered new hormone interactions which influence the growth of plant roots.
Why some plant roots have long and others have short hairs
“We found that the protein SMAX1 acts as molecular break for ethylene production”, says Caroline Gutjahr. Ethylene is a plant hormone that is considered to trigger or accelerate the ripening of many fruits and vegetables, but it can also trigger other processes in plants. If less of the gaseous hormone is produced by the plant, the plant is stimulated to grow long roots and short root hairs.
The suppressor “SMAX1” can be removed by activating the so-called karrikin signaling pathway, which is triggered by another hormone. This switches on the production of ethylene, resulting in short primary roots and elongated root hairs.
This is the first time that scientists have succeeded in identifying and understanding a molecular process that is switched on by the karrikin signaling pathway and in showing a molecular mechanism, by which this signaling pathway regulates a developmental process in plants.
Plant diversity is also reflected in molecular mechanisms
“Surprisingly this mechanism has a significant impact on the roots of the legume Lotus japonicus, the model plant for peas, beans and lentils, on which we conducted our research,” says Gutjahr.
In contrast, the research team observed a much weaker influence in the roots of another model plant, Arabidopsis thaliana or thale cress, which is related to cabbage plants.
“This shows that the diversity of plants is not only reflected in their appearance, but also in the effect of their molecular triggers on growth,” the researcher concludes.
The relevance of improving root growth for plant breeding
“If we understand more precisely how root growth is regulated at the molecular level and in coordination with environmental stimuli, we can cultivate crops that are better able to cope with unfavorable environmental conditions and thus produce yield even under stress,” explains the scientist.
This is why her research group is now investigating how the identified hormone signaling pathways (karrikin and ethylene signaling) react to different environmental conditions. They hope to discover how these two signaling pathways collaborate with the sensors that allow plants to perceive various environmental influences to adjust root growth to benefit plant survival and yield.
Publications:
Carbonnel, S., Das, D., Varshney, K., Kolodziej, M.C., Villaécija-Aguilar, J.A., Gutjahr, C. (2020): The karrikin signaling regulator SMAX1 controls Lotus japonicus root and root hair development by suppressing ethylene biosynthesis. In: PNAS, 117: 21757-21765.
More information:
The work on which this publication is based was funded by the German Research Foundation (DFG) within the Emmy Noether Program (AG Gutjahr). A co-author (Kartikye Varshney) has also received a DAAD scholarship for doctoral students.
Länge von Pflanzenwurzeln wird durch Hormone gesteuert - Molekulare Bremse für das Wurzelwachstum
Die dynamische Änderung des Wurzelwachstums von Pflanzen ist wichtig für ihre Anpassung an Bodenbedingungen. Nährstoffe oder Feuchtigkeit können je nach Standort in höheren oder tieferen Bodenschichten vorkommen. Daher ist je nach Situation eine kurze oder eine lange Wurzel vorteilhaft. Caroline Gutjahr, Professorin für Pflanzengenetik an der Technischen Universität München (TUM), erforscht mit ihrem Team, wie Pflanzenhormone das Wachstum der Wurzeln beeinflussen.
Wurzeln sind essentiell für die Aufnahme von Wasser und Nährstoffen, für die Verankerung im Boden aber auch für die Interaktion und Kommunikation mit Bodenmikroorganismen. Eine lange Wurzel ermöglicht zum Beispiel bei Trockenheit an tiefere, feuchtere Bodenschichten zu gelangen. Eine flachere Wurzel mit vielen Wurzelhaaren ist gut für die Phosphataufnahme, da Phosphat meistens in den oberen Bodenschichten zu finden ist.
Caroline Gutjahr, Professorin für Pflanzengenetik an der TUM School of Life Sciences in Weihenstephan, und ihr Team fanden neue Kommunikationswege von Hormonen, die das Wachstum von Pflanzenwurzeln beeinflussen.
Warum manche Pflanzenwurzeln lange und andere kurze Haare haben
„Es hat sich gezeigt, dass das Protein SMAX1 die Produktion von Ethylen bremst“, sagt Caroline Gutjahr. Ethylen ist ein Pflanzenhormon und gilt als Auslöser oder Beschleuniger der Reifung zahlreicher Früchte und Gemüse, doch es kann auch noch andere Vorgänge in Pflanzen auslösen. Wenn weniger des gasförmigen Hormons in der Pflanze erzeugt wird, regt dies die Pflanze dazu an, lange Wurzeln und kurze Wurzelhaare wachsen zu lassen.
Die Bremse SMAX1 kann gelöst werden, wenn der sogenannte Karrikin-Signalweg, aktiviert wird, wodurch ein weiteres Hormon ins Spiel kommt. Dadurch wird die Herstellung von Ethylen angeschaltet, was dazu führt, dass die Wurzeln kurz bleiben und die Wurzelhaare in die Länge wachsen.
Damit ist es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern erstmals gelungen, die molekularen Vorgänge, die durch den Karrikin-Signalweg angeschaltet werden, nachzuvollziehen und zu zeigen, durch welche molekularen Mechanismen dieser Signalweg Entwicklungsprozesse in Pflanzen reguliert.
Diversität der Pflanzen zeigt sich auch in molekularen Mechanismen
„Überraschenderweise hat dieser Mechanismus einen enormen Einfluss auf die Wurzeln des Hülsenfrüchtlers Lotus japonicus, der Modellpflanze für Erbsen, Bohnen und Linsen, an der wir unsere Studie durchführten“, sagt Gutjahr.
Einen viel schwächeren Einfluss hingegen beobachtete das Forschungsteam bei den Wurzeln einer anderen Modellpflanze, der Arabidopsis thaliana oder Ackerschmalwand, die mit den Kohlgewächsen verwandt ist.
„Das zeigt, dass die Diversität der Pflanzen sich nicht nur im Aussehen widerspiegelt, sondern auch in der Wirkung ihrer molekularen Schaltmechanismen auf das Wachstum“, folgert die Forscherin.
Verbesserung des Wurzelwachstums relevant für landwirtschaftliche Züchtungen
„Wenn wir genauer verstehen, wie Wurzelwachstum auf molekularer Ebene und in Abstimmung mit Umweltreizen reguliert wird, können wir Pflanzen für die Landwirtschaft züchten, welche besser mit ungünstigen Umweltbedingungen zurechtkommen und damit auch unter diesen ungünstigen Bedingungen Ertrag bringen“, sagt die Wissenschaftlerin.
Daher erforscht ihre Arbeitsgruppe nun, wie die identifizierten Hormonsignalwege (Karrikin- und Ethylen-Signalweg) auf unterschiedliche Umweltbedingungen reagieren. Damit möchten sie herausfinden, wie diese beiden Signalwege gemeinsam mit den Fühlern zusammenarbeiten, mit denen eine Pflanze verschiedene Umwelteinflüsse wahrnimmt. Dann können sie das Wurzelwachstum an diese Umweltbedingungen so anpassen, dass es für die Pflanze möglichst gewinnbringend ist.
Publikationen:
Carbonnel, S., Das, D., Varshney, K., Kolodziej, M.C., Villaécija-Aguilar, J.A., Gutjahr, C. (2020): The karrikin signaling regulator SMAX1 controls Lotus japonicus root and root hair development by suppressing ethylene biosynthesis. In: PNAS, 117: 21757-21765.
Mehr Informationen:
Die dieser Publikation zugrundeliegenden Arbeiten wurden gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Emmy Noether-Programms (AG Gutjahr). Ein Co-Autor (Kartikye Varshney) hat zudem ein DAAD Stipendium für Doktoranden erhalten.
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