Vrijvormende organellen helpen planten zich aan te passen aan de klimaatverandering | UCR-nieuws

Het vermogen van planten om licht en temperatuur waar te nemen, en hun vermogen om zich aan te passen aan de klimaatverandering, hangt af van vrijvormende structuren in hun cellen waarvan de functie tot nu toe een mysterie was.

Voor het eerst hebben onderzoekers van UC Riverside bepaald hoe deze structuren op moleculair niveau werken, en waar en hoe ze ontstaan. Deze informatie wordt beschreven in twee nieuwe Nature Communications-artikelen.

Wetenschappers hebben lang membraangebonden compartimenten bestudeerd, organellen genaamd, in plantencellen, zoals het Golgi-apparaat, de mitochondriën en, belangrijker nog, de kern, waar DNA wordt gekopieerd en getranscribeerd in RNA.

Er is echter veel minder bekend over de membraanvrije organellen die zich dynamisch kunnen assembleren en demonteren in de kern, zoals de fotolichamen die helpen bij het waarnemen van licht en temperatuur in planten.

“Vroeger noemden mensen deze fotolichamen ‘vuilnisbakken’, omdat ze ze niet begrepen. Als mensen iets niet begrijpen, noemen ze het nutteloos. Maar ze zijn helemaal niet nutteloos”, zegt UCR-professor plantkunde Meng Chen, senior auteur van beide artikelen. “Ze vormen een nieuwe grens in de wetenschap.”

Een deel van de uitdaging bij het bestuderen van fotolichamen, of membraanloze organellen in het algemeen, is dat moleculen er voortdurend in en uit bewegen. Dit maakt het moeilijk om de functie van de componenten binnen de organellen te onderscheiden van die daarbuiten. Bovendien vormen deze fotolichamen zich alleen in het licht.

Chen werkte twintig jaar aan dit probleem voordat zijn laboratorium een ​​methode vond die hielp het mysterie van de functie van de organellen te ontrafelen.

In het verleden verwijderde hij een gen uit een laboratoriumplant en probeerde hij eventuele veranderingen in de fotolichamen en de licht- of temperatuurreacties van de planten waar te nemen. Deze aanpak leverde gedeeltelijk succes op.

Zijn laboratorium identificeerde een gen dat het voor de membraanloze organellen onmogelijk maakte om zich te assembleren. Door dit gen uit te schakelen, werden de planten gedeeltelijk blind voor licht. “We zagen dat deze organellen betrokken zijn bij lichtwaarneming, maar we realiseerden ons dat dit een correlatie was en geen oorzakelijk verband,” zei Chen.

Om meer te weten te komen, probeerden de onderzoekers de grootte van de organellen te vergroten, in plaats van ze te elimineren. Deze strategie, beschreven in een van de nieuwe artikelen, bleek succesvol. Met grotere organellen was het mogelijk om de functie te zien.

“Wat we uiteindelijk zagen, is dat de membraanloze organellen planten helpen een hele reeks verschillende lichtintensiteiten te onderscheiden. Zonder hen zouden planten geen veranderingen in de lichtintensiteit kunnen ‘zien’, zegt Chen.

In een gerelateerde reeks experimenten, beschreven in het tweede artikel van Nature Communications, testten de onderzoekers de relatie tussen deze organellen en temperatuur. Eerder had de groep aangetoond dat als de temperatuur stijgt, het aantal van deze organellen afneemt.

De groep theoretiseerde dat temperatuurgevoeligheid een functie zou zijn van waar in de cel de organellen zich vormden. Andere onderzoekers suggereerden dat de vorming van de organellen willekeurig is, maar Chen vermoedde dat dit niet het geval was.

“Er is niet veel in de natuur dat volledig willekeurig is,” zei Chen. “Komen mensen op de luchthaven ergens in het niets samen, of zitten ze meestal in de wachtruimtes en bij de balies van luchtvaartmaatschappijen? Alles wat een belangrijke functie heeft, is meestal niet willekeurig.”

Het blijkt dat de vorming van fotolichamen ook niet willekeurig is. Meer dan de helft ervan bevindt zich in de buurt van centromeren, het gebied van een chromosoom dat tot zwijgen gebrachte genen herbergt.

Bij 16 graden waren er negen soorten membraanloze organellen in de cellen. Bij 27 graden daalde het aantal naar slechts vijf typen. Hoewel ze allemaal het temperatuurgevoelige eiwit fytochroom B bevatten, zijn sommige van deze organellen gevoelig voor temperatuur, en andere niet.

In de toekomst hopen de onderzoekers aan te tonen dat het mogelijk is om de gevoeligheid van planten voor licht en temperatuur te veranderen door te manipuleren waar de organellen zich vormen. Dit is vooral belangrijk als mensen voedselgewassen willen blijven verbouwen in een hetere, helderdere wereld.

Californië verbouwt de helft van de groenten en fruit van het land. Maar wetenschappers schatten dat zonder vermindering van de uitstoot van broeikasgassen de gemiddelde temperatuur in de staat tegen het einde van de eeuw met 11 graden zou kunnen stijgen, wat ernstige gevolgen zou hebben voor de groei van gewassen.

“Om de klimaatverandering te voorspellen en te beperken, moeten we begrijpen hoe planten hun omgeving waarnemen en erop reageren, vooral de temperatuur”, zegt Chen. “Temperatuur is niet alleen gerelateerd aan groei en omvang. Het heeft met alles te maken: bloeitijd, vruchtontwikkeling, respons op ziekteverwekkers en immuniteit.”

(Omslagafbeelding: Juan-Enrique/iStock/Getty)