Planter har en unik evne til at beskytte sig mod patogener ved at lukke deres porer - men indtil nu har ingen vidst, hvordan de gjorde det. Forskere har vidst, at en oversvømmelse af calcium ind i cellerne, der omgiver porerne, får dem til at lukke, men det var uklart, hvordan calcium kom ind i cellerne.
En ny undersøgelse foretaget af et internation alt hold, herunder forskere fra University of Maryland, afslører, at et protein kaldet OSCA1.3 danner en kanal, der lækker calcium ind i cellerne omkring en plantes porer, og de fastslog, at et kendt immunsystemprotein udløser proces.
Resultaterne er et stort skridt i retning af at forstå de forsvarsmekanismer, planter bruger til at modstå infektioner, hvilket i sidste ende kan føre til sundere, mere modstandsdygtige og mere produktive afgrøder. Forskningspapiret blev offentliggjort den 26. august 2020 i tidsskriftet Nature.
"Dette er et stort fremskridt, fordi en væsentlig del af verdens fødevarer, der genereres af landbruget, går tabt til patogener, og vi kender nu den molekylære mekanisme bag et af de første og mest relevante signaler for planters immunrespons på patogener - calcium sprængtes efter infektion," sagde José Feijó, professor i cellebiologi og molekylær genetik ved UMD og medforfatter af undersøgelsen. "At finde mekanismen forbundet med denne calciumkanal tillader yderligere forskning i dens regulering, hvilket vil forbedre vores forståelse af den måde, hvorpå kanalaktiviteten modulerer og i sidste ende booster planters immunreaktion over for patogener."
Planteporer - kaldet stomata - er omkranset af to beskyttelsesceller, som reagerer på calciumsignaler, der fortæller cellerne at udvide sig eller trække sig sammen og udløse medfødte immunsignaler, der initierer plantens forsvarsreaktion. Fordi calcium ikke kan passere direkte gennem vagtcellemembranerne, vidste forskerne, at en calciumkanal skulle være på arbejde. Men de vidste ikke, hvilket protein der fungerede som calciumkanalen.
For at finde dette protein søgte undersøgelsens hovedforfatter, Cyril Zipfel, professor i molekylær og cellulær plantefysiologi ved University of Zürich og Senior Group Leader ved The Sainsbury Laboratory i Norwich, efter proteiner, der ville blive modificeret af et andet protein ved navn BIK1, som genetiske undersøgelser og bioassays identificerede som en nødvendig komponent i immunforsvarets calciumrespons i planter.
Når det blev udsat for BIK1, transformeredes et protein kaldet OSCA1.3 på en meget specifik måde, der antydede, at det kunne være en calciumkanal for planter. OSCA1.3 er medlem af en udbredt familie af proteiner, der vides at eksistere som ionkanaler i mange organismer, inklusive mennesker, og det ser ud til at blive specifikt aktiveret ved påvisning af patogener.
For at bestemme, om OSCA1.3 faktisk var den calciumkanal, de ledte efter, nåede Zipfels team ud til Feijó, som er kendt for at identificere og karakterisere nye ionkanaler og signaleringsmekanismer i planter. Erwan Michard, en besøgende assisterende forsker i Feijós laboratorium og medforfatter af papiret, udførte eksperimenter, der afslørede, at BIK1 udløser OSCA1.3 til at åbne en calciumkanal ind i en celle og forklarede også mekanismen for, hvordan det sker.
BIK1 aktiveres kun, når en plante bliver inficeret med et patogen, hvilket tyder på, at OSCA1.3 åbner en calciumkanal for at lukke stomata som en defensiv immunsystemrespons på patogener.
"Dette er et perfekt eksempel på, hvordan en samarbejdsindsats mellem laboratorier med forskellig ekspertise kan føre til vigtige konklusioner, som ville være vanskelige på solo-indsatsen," sagde Feijó. "Denne grundlæggende viden er hårdt nødvendig for at informere økologi og landbrug om, hvordan biomet vil reagere på de klimatiske ændringer, som vores planet gennemgår."
Feijó, vil nu inkorporere denne nye viden om OSCA1.3-calciumkanalen i andre forskningsområder i sit laboratorium, som arbejder på at forstå, hvordan mineralet calcium blev co-opteret gennem evolution af alle levende organismer for at tjene som signaleringsenhed til information om stressfaktorer fra infektion til klimaændringer.
"På trods af den fysiologiske og økologiske relevans af stomatal lukning, var identiteten af nogle af de nøglekomponenter, der medierede denne lukning, stadig ukendt," sagde Zipfel. "Identifikationen af OSCA1.3 udfylder nu et af disse vigtige huller. I forbindelse med planteimmunitet er dette arbejde særligt velegnet i 2020, FN's internationale år for plantesundhed."
