Munich, Germany
October 17, 2019
Seedlings of thale cress (Arabidopsis). The KAI2 protein regulates essential functions of root and root hair growth. - Image: A. Battenberg / TUM
The roots of plants can do a lot of things: They grow in length to reach water, they can bend to circumvent stones, and they form fine root hairs enabling them to absorb more nutrients from the soil. A team of researchers led by scientists at the Technical University of Munich (TUM) has now identified an important regulator of this process.
If a forest fire destroys larger plants, seeds of so called fire-followers see their chance: these have a receptor protein that can “smell” certain molecules generated in smoke of burnt plant material. The receptor protein called KAI2 sets off a signal cascade causing the seeds to germinate.
A team of researchers led by Caroline Gutjahr, professor for plant genetics at the TUM School of Life Sciences Weihenstephan, has now discovered that it also plays an important role in regulating the growth of roots.
Root hairs increase the root surface area
To achieve a large surface area through which water and nutrients can be absorbed, the roots of plants grow fine root hairs. José Antonio Villaécija-Aguilar, a Ph. D. student in Caroline Gutjahr’s team, has now made the discovery that KAI2 is both necessary for the growth of this root hair and for the downward growth of roots.
“It is likely that this not only applies to the thale cress (Arabidopsis), which can be found almost everywhere in the world and is used by us as a model plant,” Caroline Gutjahr says, “but possibly also for many other plants, for example cereal crops.”
Smoke molecules cause root hairs to grow
To check their hypothesis, the team of researchers exposed young arabidopsis plants to the molecules (called karrikins) present in smoke. This indeed significantly increased the growth of root hairs.
“Our results are also interesting in the light of evolution,” Caroline Gutjahr says. “It is likely that KAI2 was initially responsible for controlling certain development processes in all plants, such as, for example, the development of root hairs and similar structures, in reaction to a plant hormone that is so far unknown. In the course of evolution of fire-activated seeds, KAI2 thas presumably developed the additional feature of detecting smoke.”
Use in plant breeding
The findings not only promote a more thorough understanding of how plants work, but can also be important for future sustainable agriculture.
“With this new and better understanding, of which molecular mechanisms play a role in the development of roots and root hairs, we can breed plants which are better able to absorb nutrients and water from the soil,” Caroline Gutjahr says. “This can for example help crops to resist longer periods of drought, which may occur more frequently in the future.”
Prof. Dr. Caroline Gutjahr with seedlings of thale cress (Arabidopsis).- Image: A. Battenberg / TUM
Publications:
SMAX1/SMXL2 regulate root and root hair development downstream of KAI2-mediated signalling in Arabidopsis
José Antonio Villaécija-Aguilar, Maxime Hamon-Josse, Samy Carbonnel, Annika Kretschmar, Christian Schmidt, Corinna Dawid, Tom Bennett, Caroline Gutjahr
PLOS Genetics 15(8): e1008327 – DOI: 10.1371/journal.pgen.1008327
More information:
The work underlying this publication was funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG; German Research Association) within the scope of the Emmy Noether program (Caroline Gutjahr) and SFB 924 (Corinna Dawid) and the British Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) (Tom Bennett). The research group of the Assistant Professorship of Plant Genetics (Caroline Gutjahr) cooperated with researchers of the Chair of Food Chemistry and Molecular Sensory Science of the TUM (Corinna Dawid) and the Centre for Plant Science (Tom Bennett) of the University of Leeds (UK).
„Rauchmelder“ in Pflanzen steuert auch das Wachstum von Wurzelhaaren: Wie den Wurzeln Haare wachsen
Pflanzenwurzeln können vieles: Sie wachsen in die Länge, um an Wasser zu kommen, sie können sich biegen, um Steinen auszuweichen und sie bilden feine Wurzelhaare aus, um mehr Nährstoffe aus dem Boden aufnehmen zu können. Ein Forschungsteam mit maßgeblicher Beteiligung der Technischen Universität München (TUM) hat nun die Funktionsweise eines wichtigen Regulators dieser Maschinerie aufgeklärt.
Vernichtet ein Waldbrand größere Pflanzen wittern sogenannte Brandkeimer ihre Chance: Ihre Samen besitzen ein Rezeptorprotein, das bestimmte Moleküle „riechen“ kann, die beim Verbrennen von Pflanzenmaterial entstehen. Das KAI2 genannte Rezeptorprotein setzt eine Signalkaskade in Gang, die zum Keimen des Samens führt.
Ein von Caroline Gutjahr, Professorin für Pflanzengenetik an der TUM School of Life Sciences Weihenstephan, angeführtes Forschungsteam fand nun heraus, dass es auch bei der Regulierung des Wachstums von Wurzeln eine wichtige Rolle spielt.
Wurzelhaare vergrößern die Oberfläche
Um eine möglichst große Oberfläche zu bekommen, über die Wasser und Nährstoffe aufgenommen werden können, bildet die Wurzel einer Pflanze feine Wurzelhaare aus. José Antonio Villaécija-Aguilar, Doktorand im Team von Caroline Gutjahr, fand nun heraus, dass KAI2 sowohl für die Bildung dieser Wurzelhaare nötig ist, als auch das Wachstum der Wurzeln nach unten reguliert.
„Und das gilt wahrscheinlich nicht nur für die Ackerschmalwand (Arabidopsis), die fast überall auf der Welt vorkommt und deshalb auch von uns als Modellpflanze genutzt wird“, sagt Caroline Gutjahr, „sondern möglicherweise auch für viele andere Pflanzen, beispielsweise für Getreide.“
Pflanzenrauch-Moleküle lassen Wurzelhaare sprießen
Zur Prüfung ihrer Hypothese setzte das Forschungsteam, junge Arabidopsis-Pflanzen den im Rauch vorkommenden Molekülen aus. Und tatsächlich nahm das Wachstum der Wurzelhaare deutlich zu.
„Dieses Ergebnis ist auch im Licht der Evolution interessant“, sagt Caroline Gutjahr. „Wahrscheinlich war KAI2 zunächst in allen Pflanzen dafür zuständig, in Reaktion auf ein bisher noch unbekanntes Pflanzenhormon bestimmte Entwicklungsprozesse, wie zum Beispiel die Entwicklung der Wurzelhaare zu steuern. Während der Evolution der Brandkeimer, hat KAI2 dann wahrscheinlich die Zusatzfunktion der Rauchwahrnehmung entwickelt.“
Nutzen für die Pflanzenzucht
Die Erkenntnisse tragen nicht nur zu einem grundlegenderen Verständnis bei, wie Pflanzen funktionieren, sondern könnten auch für eine zukünftige, nachhaltige Landwirtschaft wichtig sein.
„Wenn wir jetzt besser verstehen, welche molekulare Mechanismen bei der Entwicklung von Wurzeln und Wurzelhaaren eine Rolle spielen, können wir Pflanzen züchten, die Nährstoffe und Wasser besser aus dem Boden aufnehmen können“, sagt Caroline Gutjahr. „Das kann Nutzpflanzen beispielsweise über längere Trockenperioden retten, wie sie zukünftig möglicherweise häufiger auftreten werden.“
Weitere Informationen:
Die dieser Publikation zugrundeliegenden Arbeiten wurden gefördert durch die deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Emmy Noether-Programms (AG Gutjahr) und des SFB 924 (AG Dawid) und den britischen Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) (AG Bennett). Beteiligt waren neben der Arbeitsgruppe der Professur für Pflanzengenetik Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Professur für Lebensmittelchemie und molekulare Sensorik der TUM (AG Dawid), sowie des Center for Plant Science (AG Bennett) der Universität Leeds (UK).
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