Belgium
May 17, 2021
A study undertaken by Dr. Lam Dai Vu and Professors Kris Gevaert and Ive De Smet of VIB and Ghent University (Belgium), together with colleagues from Utrecht University (the Netherlands), the North Carolina State University (US), and the John Innes Centre (UK), reveals fundamental molecular insights into the ways that plants respond to high temperatures. The researchers have identified the protein kinase MAP4K4/TOT3 as a light signaling-independent regulator of this process. The results of the study are published in the leading peer-reviewed journal Nature Communications and are especially relevant in the context of climate change, where the development of temperature-resilient crops will be key to ensuring food security.
An incomplete understanding of thermomorphogenesis
Living organisms are almost all exposed to daily or seasonal temperature changes. Because plants are rooted in place, they must continuously alter their growth, development and physiology to adapt to these changes. Plants respond to warm temperatures by elongating certain structures, enabling them to stay cooler. This process, called thermomorphogenesis, was previously exclusively linked with the plant’s light signaling pathways.
Specific molecular sensors and other response networks are known to enable plants to perceive changes in temperature. However, little is understood about how molecular signaling processes within plant cells trigger structural adaptations to high temperature conditions.
A new signaling pathway that isn’t linked to light sensing
To identify these signaling mechanisms in flowering plants, Lam Dai Vu and an international team of researchers mapped modifications in specific proteins that occur when the plants are exposed to warm temperatures.
They identified the protein kinase MAP4K4/TOT3 as a regulator of thermomorphogenesis in both dicots and monocots – the two fundamental structural categories of plants. In addition, their research outcomes indicate that this protein signaling pathway regulates thermomorphogenesis independently from other pathways, including those related to light sensing.
Paving the way toward climate-hardy food crops
Climate warming has strong impacts on both plant growth and crop yield. The insights revealed by this study identify MAP4K4/TOT3 as a new key player in plant responses to warm temperatures, and show that it also interacts with related kinases that play multifaceted roles in thermomorphogenesis. These observations make it unlikely that there is a single regulatory pathway that controls warm-temperature structural changes.
Ive De Smet
“The observed TOT3 complex has great potential for knowledge-based breeding of warm temperature-resilient crops that can contribute to maintaining future food security in a warming climate,” concludes Ive De Smet.
In our study we joined hands with scientists having expertise in crop plants, namely wheat and soybean. I hope that our results will further promote this type of collaboration in plant research," says Lam Dai Vu.
Publication
The membrane-localized protein kinase MAP4K4/TOT3 regulates thermomorphogenesis, Dai Vu et al., Nature Communications
VIB-onderzoek onthult hoe planten temperatuurstijgingen waarnemen
Een studie uitgevoerd door dr. Lam Dai Vu en professoren Kris Gevaert en Ive De Smet van VIB en de Universiteit Gent (België), samen met collega's van de Universiteit Utrecht (Nederland), de North Carolina State University (VS) en het John Innes Centre (VK), onthult fundamentele inzichten in de manier waarop planten reageren op hoge temperaturen. De onderzoekers hebben het enzyme MAP4K4/TOT3 geïdentificeerd als regulator van de temperatuurrespons die onafhankelijk is van lichtsignalen. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het vaktijdschrift Nature Communications. Ze zijn zeker relevant in de context van klimaatverandering, aangezien de ontwikkeling van temperatuurbestendige gewassen van cruciaal belang zal zijn voor het waarborgen van voedselzekerheid.
Een onvolledig begrip van thermomorfogenese
Levende organismen worden bijna allemaal blootgesteld aan dagelijkse of seizoensgebonden temperatuurveranderingen. Dieren kunnen bewegen of zweten om hun temperatuur binnen de perken te houden , maar omdat planten op hun plaats geworteld zijn, moeten ze hun groei, ontwikkeling en fysiologie voortdurend aanpassen aan temperatuurschommelingen.
Planten reageren op hoge temperaturen door bepaalde structuren – zoals bladstelen of stengels – langer te maken of opwaarts te richten, waardoor ze koeler kunnen blijven. Dit proces, thermomorfogenese genaamd, werd voorheen uitsluitend gekoppeld aan de invallende lichtsignalen en de verwerking ervan door de plant.
Het is bekend dat specifieke moleculaire sensoren planten in staat stellen temperatuurveranderingen op te merken. We weten echter nog weinig over hoe signalen in plantencellen de plantenstructuur kunnen beïnvloeden in respons op hoge temperaturen.
Een nieuwe signaalroute
Om deze signaalmechanismen in bloeiende planten te identificeren brachten de Gentse VIB-onderzoekers samen met hun internationale collega’s modificaties in specifieke eiwitten in kaart die optreden wanneer de planten worden blootgesteld aan hoge temperaturen.
Ze identificeerden het eiwitkinase MAP4K4/TOT3 als een regulator van thermomorfogenese in zowel tweezaadlobbige als eenzaadlobbige planten – de twee fundamentele plantencategorieën. Bovendien geven hun onderzoeksresultaten aan dat dit signaal pad de thermomorfogenese reguleert onafhankelijk van andere routes, inclusief die voor lichtdetectie.
Op weg naar klimaatbestendige voedselgewassen
De klimaatopwarming heeft grote gevolgen op de plantengroei en de gewasopbrengst. De inzichten die deze studie aan het licht heeft gebracht, identificeren MAP4K4/TOT3 als een nieuwe hoofdrolspeler in de reacties van planten op hoge temperaturen en laten zien dat het ook interageert met verwante kinasen die verschillende rollen spelen in thermomorfogenese. Deze waarnemingen maken het onwaarschijnlijk dat er één reguleringspad is dat structurele veranderingen bij hoge temperaturen regelt.
“Het waargenomen TOT3-complex heeft een groot potentieel voor de kennis-gebaseerde teelt van gewassen die bestand zijn tegen hoge temperaturen en die kunnen bijdragen aan het in stand houden van de toekomstige voedselzekerheid in een opwarmend klimaat,” besluit prof Ive De Smet.
“In ons onderzoek hebben we de handen ineengeslagen met wetenschappers met expertise op het gebied van voedingsgewassen, namelijk tarwe en soja. Ik hoop dat onze resultaten dit soort samenwerking bij plantenonderzoek verder zullen bevorderen," zegt dr. Lam Dai Vu.
De ontdekking komt een dag voor de internationale Fascination of Plants Day, een dag die in het teken staat van de wonderbaarlijk wereld van de planten.
Publicatie
The membrane-localized protein kinase MAP4K4/TOT3 regulates thermomorphogenesis, De Smet et al., Nature Communications
Topics
Species
