Germany
September 3, 2015
Effect of salt stress on plants (Left: Plants with CC proteins (wild type) grow better on salt than those missing them (mutant); Right: A view inside he cell under salt stress (green: CC proteins).
Environmental conditions such as drought or salinity can be detrimental to crop performance and yield. Salt is one of the major factors that negatively impact on plant growth and it is estimated that 20% of the total, and 33% of irrigated, agricultural lands are afflicted by high salt worldwide. It is therefore of great agricultural importance to find genes and mechanisms that can improve plant growth under such conditions. The team of Dr. Staffan Persson has identified a protein family that helps plants to grow on salt, and outlined a mechanism for how these proteins aid the plants to produce their biomass under salt stress conditions.
Environmental conditions such as drought, cold or salinity can be detrimental to crop performance and yield. Salt is one of the major factors that negatively impact on plant growth and it is estimated that 20% of the total, and 33% of irrigated, agricultural lands are afflicted by high salt worldwide. It is therefore of great agricultural importance to find genes and mechanisms that can improve plant growth under such conditions. The team of Dr. Staffan Persson, group leader at the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology until January 2015 and now Professor at the University of Melbourne in Australia, has identified a protein family that helps plants to grow on salt, and outlined a mechanism for how these proteins aid the plants to produce their biomass under salt stress conditions.
Plants need to make more and bigger cells if they want to grow and develop. Unlike animal cells, plant cells are surrounded by a cellular exoskeleton, called cell walls which direct plant growth and protect the plant against diseases. Importantly, most of the plants biomass is made up of the cell wall with cellulose being the major component. Hence, plant growth largely depend on the ability of plants to produce cell walls and cellulose, also under stress conditions, and it is therefore no surprise that research on cell wall biosynthesis is of high priority.
Previous studies of Dr. Staffan Persson’s research group and others have shown that the cellulose producing protein complex, called cellulose synthase, interacts with, and is guided by, an intracellular polymer structure, called microtubules. This interaction is important for shape and stability of plant cells.
The current research revealed that a previously unknown family of proteins supports the cellulose synthase machinery under salt stress conditions, and was named “Companions of Cellulose synthase (CC). “We show that these proteins, which we called CC proteins, are part of the cellulose synthase complex during cellulose synthesis”, said Staffan Persson.
Effect of salt stress on plants
Left panel (plants grown on salt): Plants with CC proteins (wild type) grow better on salt containing media than mutant plants, missing the CC genes
Right panel (inside the cell): A view inside he cell under salt stress; plants with CC proteins (wild type) show functional cellulose synthase complexes in the plasma membrane; Plants without CC proteins (mutant) show internalized cellulose synthase complexes which are not active anymore.
CC-proteins shown in green, cellulose synthase complexes are shown in red
The researchers discovered that the CC gene activity was increased when plants were exposed to high salt concentrations. Thus, the research team hypothesized an involvement of these proteins in salt tolerance of plants.
“To prove this hypothesis we deleted multiple genes of the CC gene family in the model plant Arabidopsis thaliana (thale cress), and grew the plants on salt-containing media. These mutated plants performed much worse than the wild-type plants”, explains Christopher Kesten, PhD student in Dr. Persson’s research group, and co-first author of this study. „In an additional step, we made fluorescent versions of the CC proteins and observed, with the help of a special microscope, where and how they function. It was quite a surprise to see that they were able to maintain the organization of microtubules under salt stress. This function helped the plants to maintain cellulose synthesis during the stress“, adds Dr. Anne Endler, also co-first author of this study.
The research group demonstrated that while the control plants could maintain their microtubules intact, the plants lacking the CC activity were unable to do so. This loss in microtubule function led to a failure in maintaining cellulose synthesis, which explained the reduction in plant growth on salt. These results therefore provide a mechanism for how the CC proteins aid plant biomass production under salt stress.
The group’s discovery of the CC proteins could promote future generation of salt tolerant crop plants. A major global agricultural challenge involves an increase in food production to sustain a growing population. By 2050 it is estimated that we need to increase our production of food with 70% to feed an additional 2.3 billion people. Salinity is a major limiting factor for this goal as more than 50% of the arable land may be salt afflicted by the year 2050.
Dr. Staffan Persson was group leader at the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology until January 2015. He is now at the „School of Biosciences” at the University of Melbourne in Australia.
Original publication
Anne Endler, Christopher Kesten, René Schneider, Yi Zhang, Alexander Ivakov, Anja Fröhlich, Norma Funke, Staffan Persson
A mechanism for sustained cellulose synthesis during salt stress
Cell (2015), 3.09.2015, http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.08.028
Auch Pflanzen können gestresst sein
Umweltbedingungen wie Trockenheit oder hoher Salzgehalt von Böden verursachen Stress bei Pflanzen. Solche Bedingungen können im schlimmsten Fall zum Absterben von Pflanzen führen. Oft sterben sie aber nicht vollständig ab, sondern Wachstum und Biomasseproduktion sind vermindert, was bei Kulturpflanzen Ertragsverluste zur Folge hat. Schätzungsweise gehen bis zu 50 % der Ernten durch solche Umwelteinflüsse verloren. Dem Team um Dr. Staffan Persson ist es gelungen Proteine zu identifizieren, die einem Ertragsverlust bei Salzstress entgegenwirken könnten.
Umweltbedingungen wie Trockenheit, Kälte oder hoher Salzgehalt von Böden verursachen Stress bei Pflanzen. Solche abiotischen Stressbedingungen können im schlimmsten Fall zum Absterben von Pflanzen führen. Oft sterben die Pflanzen aber nicht vollständig ab, sondern Wachstum und Biomasseproduktion sind vermindert, was bei Kulturpflanzen Ertragsverluste zur Folge hat. Schätzungsweise gehen bis zu 50 % der Ernten durch solche Umwelteinflüsse verloren. Dem Team um Dr. Staffan Persson, bis Januar 2015 Arbeitsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie und nun Professor an der Universität Melbourne in Australien ist es gelungen Proteine zu identifizieren, die einem Ertragsverlust bei Salzstress entgegenwirken könnten.
Wenn Pflanzen sich entwickeln und wachsen, müssen Zellen vermehrt werden. Im Unterschied zu Zellen von Tieren besitzen Pflanzen Zellwände, die ihnen u.a. ihre Stabilität geben, sie vor Krankheiten schützen und deren Hauptkomponente Zellulose ist. Pflanzliches Wachstum ist deshalb auch bestimmt durch die Fähigkeit der Pflanze Zellwände aufzubauen und Zellulose zu bilden, auch unter Stressbedingungen. Nicht verwunderlich also, dass der Erforschung der Zellwandbiosynthese ein hoher Stellenwert zukommt.
Der Arbeitsgruppe um Dr. Staffan Persson ist es in vorangegangenen Arbeiten bereits gelungen ein wenig mehr Licht in den Prozess der Biosynthese von Zellulose zu bringen. So konnte die Arbeitsgruppe zeigen, dass die Zellulose-Synthase – ein komplexes Enzym, das aus mehreren Einheiten besteht – über ein weiteres Protein an Mikrotubuli gebunden ist. Mikrotubuli sind eine Gruppe von Strukturfilamenten, die am Aufbau des Zellskeletts beteiligt sind, das wiederum den Zellen ihre Festigkeit und ihre Form verleiht.
In der aktuellen Studie konnte Perssons Team nun belegen, dass zwei weitere, bisher unbekannte Proteine, den Prozess der Zelluloseherstellung unterstützen. Die beiden Proteine wurden von den Forschern „Companion of Cellulose synthase (CC)“ getauft, was auf gut deutsch nichts anderes heißt als „Begleiter der Zellulose-Synthase“. „Wir konnten zunächst nachweisen, dass die beiden Proteine, die wir CC1 und CC2 getauft haben, ein Teil des Zellulose-Synthase-Komplex sind und diesen auf seinem Weg entlang der Mikrotubuli begleiten“, so Staffan Persson.
Nachdem die Wissenschaftler belegen konnten, dass die CC-Proteine an dem für den Zellulosaufbau zuständigen Enzymkomplex beteiligt sind, stellten sie in ihren weitergehenden Versuchen fest, dass eine erhöhte Salzkonzentration zu einer vermehrten Produktion der beiden Proteine CC1 und CC2 führte. Dies ließ die Wissenschaftler vermuten, dass diese beiden Proteine etwas mit der Salztoleranz zu tun haben könnten und evtl. über sie die Salzsensibilität von Pflanzen geregelt wird.
„Um unsere Vermutung zu überprüfen, schalteten wir bei der Modellpflanze Arabidospsis thaliana (Ackerschmalwand) diejenigen Gene aus, die für die Herstellung der CC-Proteine verantwortlich sind und kultivierten diese Pflanzen auf einem salzhaltigem Wachstumsmedium“, erläutert Christopher Kesten, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Dr. Persson und Co-Erstautor der Studie das weitere Vorgehen. Dies hatte zur Folge, dass diese Pflanzen weniger gut wuchsen, als die Kontrollpflanzen, bei denen diese Gene nicht ausgeschaltet waren. „In einem weiteren Untersuchungsschritt haben wir in den Kontrollpflanzen die CC-Proteine mit einem fluoreszierenden Farbstoff markiert und konnten in einem speziellen Mikroskop beobachten, wo sie arbeiten. Es war eine große Überraschung, dass sie tatsächlich die Organisation der Mikrotubuli, trotz Salzstress, aufrechterhalten können. Diese Funktion ermöglicht Pflanzen ihre Zellulosesynthese auch unter Stress aufrechtzuerhalten“, ergänzt Dr. Anne Endler, ebenfalls Co-Erstautor der Studie.
Die Arbeitsgruppe konnte in ihren Versuchen nachweisen, dass bei Pflanzen mit CC-Proteinen zwar die Mikrotubuli zunächst infolge des Salzstress abgebaut werden, jedoch bei weiter andauerndem Stress wieder neu aufgebaut werden. Bei Pflanzen ohne CC-Proteine werden die Mikrotubuli nicht neu aufgebaut. Der Verlust der Mikrotubuli ist dabei begleitet vom Abbau der Zellulose-Synthase, was dazu führt, dass keine neuen Zellwände aufgebaut werden können und die Pflanzen demzufolge auch nicht wachsen.
Das neugewonnene Verständnis darüber, wie die Salztoleranz bei Pflanzen reguliert wird und die Identifikation der beiden CC-Proteine, könnte die Züchtung salztoleranter Nutzpflanzen ein ganzes Stück voranbringen. Salztoleranten Pflanzen kommt eine enorme Wichtigkeit zu, da Schätzungen zu Folge weltweit bereits 20 % der landwirtschaftlich genutzten und 33 % der bewässerten Flächen von hohen Salzkonzentrationen betroffen sind und die Versalzung von Flächen jährlich um 10% zunimmt. Bis 2050 wird eine Versalzung von mehr als 50 % der nutzbaren Flächen vorhergesagt.
Dr. Staffan Persson arbeitete bis Januar 2015 am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie. Anfang des Jahres ist er einem Ruf an die „School of Biosciences“ der Universität Melbourne in Australien gefolgt.
Originalveröffentlichung
Anne Endler, Christopher Kesten, René Schneider, Yi Zhang, Alexander Ivakov, Anja Fröhlich, Norma Funke, Staffan Persson
A mechanism for sustained cellulose synthesis during salt stress
Cell (2015), 3.09.2015. ), http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.08.028
Species
