Pflanzen sind sitzend; Um in einer prekären Umgebung zu überleben, müssen sie daher mit verschiedenen Arten von Stress fertig werden, biotisch und abiotisch. Obwohl viel über die Gene und Signalwege gelernt wurde, die an Stressreaktionen beteiligt sind1 Wie Pflanzen auf Stress in der Entwicklung reagieren, ist wenig verstanden. Unsere jüngsten Studien legen nahe, dass die Proliferation der Wurzelrinde ein Schutzmechanismus gegen abiotischen Stress ist.2
Die ersten Hinweise auf diese Rolle für den Wurzelkortex stammen aus unseren Studien an der Spy-Mutante. In der Wurzel von einwöchigen Wildtyp-Sämlingen von Arabidopsis thaliana befindet sich eine einzige Cortexschicht; Im Gegensatz dazu wird bei der Spy-Mutante innerhalb von 3 Tagen nach der Keimung eine zusätzliche Cortexschicht aus der Endodermis produziert.3 Um festzustellen, wie SPY die Wurzelentwicklung beeinflusst, führten wir ein Transkript-Profiling mit Wurzeln von Spy-3-Mutanten und Wildtyp-Pflanzen durch.2 Diese Transkriptomanalyse zeigte, dass Gene, die an der Redoxhomöostase beteiligt sind, unter den Genen angereichert sind, deren Expression in der Spy-Mutante verändert ist. In Übereinstimmung damit fanden wir heraus, dass die Spy-Mutante einen erhöhten Gehalt an reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) aufweist. Basierend auf diesen Beobachtungen stellten wir die Hypothese auf, dass die Proliferation des Cortex durch Veränderungen des zellulären Redoxstatus verursacht werden könnte. Wir bestätigten dies in weiteren Experimenten, die zeigten, dass die Proliferation des Cortex in der Wurzel von Wildtyp-Sämlingen durch Wasserstoffperoxid induziert wurde und dass der zusätzliche Cortex-Phänotyp in der Spy-Mutantenwurzel durch Glutathion, ein starkes Reduktionsmittel, unterdrückt wurde.
Unerwartet fanden wir auch, dass die Rezeptorkinase ERECTA für die ROS-induzierte Cortexproliferation benötigt wird.2 Bei Pflanzen mit einer Mutation im ERECTA-Gen (dem Ler-Ökotyp oder der er105-Mutante) konnte keine Kortexproliferation induziert werden, unabhängig von der Konzentration von Wasserstoffperoxid für die Behandlung. Interessanterweise zeigten weitere Studien, dass STOMAGEN, aber nicht andere ERECTA-Liganden, für diese Redox-vermittelte Entwicklungsantwort essentiell ist. Daher ist die Proliferation des Kortex als Reaktion auf oxidativen Stress eine regulierte und nicht nur eine passive Reaktion.
Unser Befund, dass die Redox-vermittelte Proliferation des Kortex ein regulierter Prozess ist, wirft eine Frage nach der Rolle der Proliferation des Kortex im Pflanzenwachstum und in der Physiologie auf. Denkbar ist, dass die zusätzliche Kortexzellschicht als Wasserreservoir fungiert und der Pflanze so hilft, in Dürre zu überleben. Zur Unterstützung dieser Vorstellung wurden zusätzliche Kortexschichten in den Wurzeln von Arabidopsis-Pflanzen gefunden, bei denen Wassermangel aufgetreten ist (unveröffentlichte Ergebnisse).
Die Hauptquellen von ROS in Pflanzen sind die Mitochondrien und Chloroplasten. Normalerweise werden ROS mit geringen Raten als Nebenprodukte der Atmungs- und Photosynthesereaktionen in diesen Organellen erzeugt, aber sie bauen sich unter Stress auf und können für Pflanzen tödliche Werte erreichen. Die Cortexproliferation als Reaktion auf oxidativen Stress ist daher wahrscheinlich ein allgemeiner Mechanismus, der die Pflanzen vor abiotischem Stress schützt. In der Tat, diese Hypothese unterstützend, zeigte eine kürzlich durchgeführte Studie, dass die Spion-Mutanten toleranter gegenüber hohem Salzgehalt im Boden sind.4
Dies scheint jedoch im Widerspruch zu unserer jüngsten Beobachtung zu stehen, dass die Spy-Mutante in normalem Wachstumsmedium eine kürzere Wurzel entwickelt als der Wildtyp und ihr Wurzelwachstum in salzhaltigem Medium stärker reduziert ist.2 Eine plausible Erklärung für dieses Paradoxon ist, dass die zusätzliche Kortexzellschicht in der Spy-Mutantenwurzel zusammen mit ihrer kürzeren Länge eine Verringerung der Salzaufnahme aus dem Boden bewirkt und somit einen normalen Salzgehalt im Spross aufrechterhält. Um diese Hypothese zu testen, sprühten wir Salzlösung direkt auf die Blätter der Spy-3-Mutanten und Wildtyp-Triebe. Die Blätter der Spy-Mutante welkten, wenn sie 50 mM NaCl ausgesetzt wurden, aber der Wildtyp zeigte unter der gleichen Behandlung keine Anzeichen von Stress (Abb. 1A). Wir führten auch ein ähnliches Experiment mit Methylviologen, einem ROS-induzierenden Herbizid, durch und fanden heraus, dass die spy-3-Mutante auch empfindlicher war (Abb. 1). Ähnliche Ergebnisse wurden mit den Mutanten spy-8 und spy-12 erhalten, die sich im Ler-Hintergrund befinden (Abb. 1B). Diese Ergebnisse stützen die Vorstellung, dass die Proliferation der Rinde in der Wurzel eine Rolle bei der Bekämpfung abiotischer Belastungen spielt, die nur vom Boden herrühren. Die Toleranz der Spion-Mutanten gegenüber Salz im Boden kann jedoch nicht allein auf die zusätzliche Kortexschicht zurückgeführt werden. Da Mutanten mit nur kurzen Wurzeln, wie die scr-Mutante, empfindlicher auf hohen Zucker- und Salzgehalt reagieren (Cui et al 2012; und unveröffentlichte Ergebnisse), denken wir, dass Cortex signifikant dazu beiträgt, dem bodenbasierten abiotischen Stress entgegenzuwirken.
Die Spy-Mutante ist überempfindlich gegen Salz und Methylviologen. (A) Col- und Spy-3-, (B) Ler- (obere Reihe), Spy-8- (mittlere Reihe) und Spy-12- (untere Reihe) Pflanzen, 9 h nach Besprühen mit Wasser (Kontrolle), 20 µM Methylviologen (MV) oder 10 mM oder 50 mM NaCl. Beachten Sie, dass die geschrumpften Blätter durch Welken entstehen.
Es ist bemerkenswert, dass in der Wildtyp-Wurzel die Cortexproliferation nur in einem engen Bereich von Wasserstoffperoxidkonzentrationen (0,5 – 2 mM) induziert wird.2 Über 2 mM verursacht Wasserstoffperoxid Zellschäden, was das Fehlen einer Kortexproliferation erklärt. Dieser Befund bedeutet auch, dass die Proliferation des Kortex als Schutzmechanismus gegen leichte, aber nicht akute Belastungen dient. Dennoch glauben wir, dass die Kortexproliferation der vorherrschende Mechanismus für Pflanzenkulturen ist, um mit abiotischem Stress umzugehen, da leichter, chronischer Stress in der Landwirtschaft viel häufiger auftritt als akuter Stress. Durch die Bildung einer zusätzlichen Zellschicht erhalten Pflanzen dauerhaften Schutz. Da die kostspielige Expression von Proteinen und Antioxidantien nicht aufrechterhalten werden muss, können Pflanzen mehr Ressourcen in Wachstum und Entwicklung investieren. Da die Proliferation des Kortex auch Ressourcen beansprucht, würde bei niedrigem Stressniveau kein zusätzlicher Kortex produziert. Wenn Stress intensiv ist, müssen die Pflanzen eine Reihe von Reaktionen auslösen, um damit umzugehen, aber in dieser Situation besteht die Priorität der Pflanzen darin, zu überleben.
Eine weitere interessante Beobachtung aus unseren Studien ist, dass nur eine zusätzliche Schicht Cortex in den mit Wasserstoffperoxid behandelten Spy-Mutanten- oder Wildtyp-Pflanzen produziert wird. Zwei mögliche Mechanismen sind denkbar. Erstens könnte dies dazu führen, dass die Wurzel die Energie hat, nur eine einzige zusätzliche Zellschicht zu produzieren, obwohl sich die Zellen weiter teilen können. Alternativ und wahrscheinlicher, wenn die endodermalen Zellen, die die zusätzliche Kortexschicht verursachen, in einem bestimmten Stadium des Zellzyklus pausieren, könnte das ROS-Signal den Zellzyklus neu entfachen, aber nicht in der Lage sein, einen anderen Zellzyklus neu zu initiieren. Weitere Studien sind erforderlich, um zwischen diesen Möglichkeiten zu unterscheiden.
Als Organ spielt die Wurzel eine zentrale Rolle bei der Aufnahme von Nährstoffen und Wasser sowie der Verankerung, aber einzelne Zelltypen funktionieren unterschiedlich. Zum Beispiel fungiert die Endodermis als Gateway für die selektive Nährstoffaufnahme,5 während die Columella-Zellen für die gravitrope Reaktion verantwortlich sind.6 Neben dem Ferntransport von Wasser und Nährstoffen spielt das Gefäßgewebe auch eine Rolle bei der Nährstoffspeicherung und Homöostase, insbesondere bei Eisen und Schwefel.6 Unter allen Wurzelzelltypen wird Cortex als am wenigsten differenziert angesehen. Ob Cortex eine Rolle für das Pflanzenwachstum und die Physiologie spielt, ist noch unklar. Diese vorliegende Studie liefert den Beweis, dass eine Funktion des Kortex der Schutz vor abiotischem Stress ist.