Ny mark bruten av biokemister från Michigan State University hjälper till att förklara hur växter skyddar sig mot minusgrader och kan leda till upptäckter relaterade till växttolerans för torka och andra extrema förhållanden.
"Detta sammanför två klassiska problem inom växtbiologi", sa Christoph Benning, MSU-professor i biokemi och molekylärbiologi. "En är att växter skyddar sig mot frysning och att forskare länge trodde att det hade något med cellmembran att göra, men att de inte visste exakt hur.
"Den andra är sökandet efter genen för ett gåtfullt enzym för växternas lipidmetabolism i kloroplasterna", med andra ord, hur lipider, som är membranbyggstenar, skapas för växtcellsorganellerna som ansvarar för att omvandla solenergi till kemisk energi genom fotosyntes.
I en artikel publicerad online i tidskriften Science beskriver Benning och hans dåvarande doktorand Eric Moellering och teknisk assistent Bagyalakshmi Muthan hur en viss gen leder till bildandet av en lipid som skyddar kloroplast- och växtcellmembran från frysskador genom en ny mekanism i Arabidopsis thaliana, vanligt senapsgräs. Under sitt avhandlingsprojekt under Benning identifierade Moellering en mutant stam av Arabidopsis som inte kan tillverka lipiden och kopplade denna biokemiska defekt till arbete utfört av andra som ursprungligen beskrev genens roll i frystolerans, men som inte hittade mekanismen.
"Ett av de stora problemen med frystolerans eller allmän stress hos växter är att vissa arter är bättre på att överleva stress än andra", sa Moellering. "Vi börjar bara förstå mekanismerna som gör att vissa växter kan överleva medan andra är känsliga."
Det finns ingen enskild mekanism inblandad i växternas frysningstolerans, tillade Moellering, så han kan inte säga att hans upptäckter snart kommer att leda till genetiska genombrott som gör att citrus eller andra frysintoleranta växter kan frodas i nordliga klimat. Men det bidrar till vår förståelse av hur växter överlever extrema temperaturer.
Mycket växtskador i minusgrader beror på celluttorkning, där vatten dras ut när det kristalliserar och organellen eller cellmembranet skrumpnar när vätskevolymen sjunker. Lipider i membranen hos toleranta växter tas bort och omvandlas till olja som ackumuleras i droppar, sa forskarna, och bibehåller membranintegriteten, hindrar membranen från att smälta samman och sparar energin genom att lagra oljedroppar. Med ökande oro glob alt över vattenförsörjning och klimatförändringar ser forskare ytterligare skäl att förstå hur tåliga växter överlever.
Forskningen, finansierad av US Department of Energy Office of Science Basic Energy Sciences och Michigan Agricultural Experiment Station, leder också till spekulationer om att själva frysningen kan få cellproteiner att direkt ändra membranets sammansättning, utan aktivering genom gradvis acklimatisering. Det har varit ett stort fokus inom området för frysning av växter, sa forskarna.
"Detta öppnar en enorm dörr nu för människor att göra den här typen av forskning och att omdirigera forskare", sa Benning. "Det finns många av dem där ute som försöker förstå kyla, s alt och torka tolerans i växter, och vi har gett dem en ny idé om hur de kan närma sig det här problemet mekanistiskt."
