Exploring the role of plant hormones in root developmental responses to metal-stress

Stefanie De Smet
Manipulatie van wortelgroei: de sleutel tot landbouw op vervuilde grondIn 2011 overschreed de wereldpopulatie 7 miljard en met de huidige groeisnelheid van ongeveer 1,10% per jaar zal 8 miljard overschreden worden in 2025. Deze groeiende populatie brengt een stijging in industrie en vervuiling met zich mee. De vraag naar plantproductie voor voedsel, veevoeder en biomassa (bv. voor biobrandstof productie) neemt toe. Het aantal bruikbare landbouwgronden daalt echter doordat vele gronden vervuild worden.

Exploring the role of plant hormones in root developmental responses to metal-stress

Manipulatie van wortelgroei: de sleutel tot landbouw op vervuilde grond

In 2011 overschreed de wereldpopulatie 7 miljard en met de huidige groeisnelheid van ongeveer 1,10% per jaar zal 8 miljard overschreden worden in 2025. Deze groeiende populatie brengt een stijging in industrie en vervuiling met zich mee. De vraag naar plantproductie voor voedsel, veevoeder en biomassa (bv. voor biobrandstof productie) neemt toe. Het aantal bruikbare landbouwgronden daalt echter doordat vele gronden vervuild worden. Ongeveer 50 à 60 jaar geleden zorgde de groene revolutie voor een geleidelijke toename in de voedselproductie door middel van betere landbouwpraktijken en intensief gebruik van meststoffen en pesticiden. In de nabije toekomst zal de landbouw echter te kampen krijgen met tekorten aan water en minerale meststoffen. Bijgevolg is een nieuwe aanpak om plantgroei te optimaliseren nodig. In deze nieuwe techniek is het belangrijk dat niet alleen de plantgroei geoptimaliseerd wordt op de huidige landbouwgronden, maar ook op (momenteel) onbruikbare gronden. Hierdoor wordt niet alleen de opbrengst verhoogd, maar ook het aantal bruikbare gronden. Het wortelsysteem speelt een belangrijke rol in het optimaliseren van de plantgroei, aangezien het de opname bepaalt van voedingsstoffen, water en andere elementen aanwezig in de bodem.

Planten beschikken over een hoge ontwikkelingsplasticiteit (vooral in het wortelsysteem), waardoor deze vastzittende organismen toch kunnen overleven in een veranderde omgeving. De wortels kunnen de fysische en chemische eigenschappen van de bodem waarnemen en hun groei en ontwikkeling aanpassen naargelang deze eigenschappen. In verschillende studies werd gevonden dat de gestreste wortels zich herverdelen in de bodem waardoor ze ongunstige zones ontwijken en gunstige zones koloniseren. De herverdeling van de wortelgroei is reeds onderzocht voor verschillende stressfactoren zoals droogte, zoutheid, nutriënt tekorten, etc. Het doel van deze studies was de plantgroei te optimaliseren onder deze stress condities, aangezien deze in veel landbouwgronden voorkomen of zullen voorkomen in de toekomst.

In Vlaanderen is er een groot oppervlak aan marginale gronden die vervuild zijn met toxische concentraties aan metalen, zoals cadmium (Cd), zink (Zn) en koper (Cu), ten gevolge van landbouw en industrie. Deze vervuiling heeft niet alleen negatieve effecten op de plaatselijke fauna en flora, maar vormt ook een grote bedreiging voor de menselijke gezondheid. De vervuilde gronden kunnen momenteel niet gebruikt worden, aangezien de planten die hierop groeien de metalen zullen opnemen of omdat er zelfs geen planten op kunnen groeien in ernstige gevallen. Metalen zijn heterogeen verspreid in de bodem. Dit wil zeggen dat er zones zijn met een hoge concentratie aan metaal en zones met een lage concentratie (Figuur 1). Hierdoor kan de positionering van de wortels op twee manieren gemanipuleerd worden, namelijk om (1) enkel in de veilige zones of om (2) vooral in de hoogst vervuilde zones te groeien (Figuur 1). (1) Door de vervuiling te ontwijken zullen de planten niet in contact komen met de metalen en zullen bijgevolg deze ook niet kunnen opnemen. Op deze wijze kan op een veilige manier biomassa geproduceerd worden op mild vervuilde gronden. Het plantmateriaal kan dan gebruikt worden om bijvoorbeeld olie te produceren wat als grondstof kan dienen voor verschillende chemische industriële toepassingen of als biobrandstof. Bijkomend zal er ook minder competitie zijn met de voedselproductie. (2) Anderzijds kan de manipulatie van het wortelsysteem naar de vervuilde zones bijdragen aan het saneringsproces van zwaarder vervuilde bodems. Sanering van de bodem door middel van planten wordt fytoremediatie genoemd. Hierin onttrekken de planten de vervuilende stoffen van de bodem. In het geval van metaal vervuiling worden de planten geoogst en gerecycleerd. Momenteel worden reeds verschillende bodems gesaneerd door middel van fytoremediatie. Door de wortels te stimuleren om in de vervuilde zones te groeien, zal de fytoremediatie veel efficiënter en sneller verlopen. Beide toepassingen leiden tot een duurzaam gebruik van anders ongebruikte grond, waardoor de druk op landbouwgronden verlaagd wordt. De moleculaire kennis over de wortelgroei herverdeling die hiervoor nodig is, is echter nog afwezig.

Aangezien planten gebruik maken van hormonen om hun groei en ontwikkeling te coördineren, werd in deze thesis de hypothese gesteld dat planthormonen betrokken zijn in de stressrespons van de wortels. In deze thesis werd onderzocht welke effect cadmium, zink en koper hadden op de planthormonen abscissine zuur en ethyleen. Een interessant resultaat van deze thesis is bijvoorbeeld dat abscissine zuur betrokken is in de uitschakeling van het ontstaan van zijwortels ten gevolge van zink. In verder onderzoek zullen nog verscheidene hormonen onderzoek worden.

Wanneer eenmaal geweten is welke hormonen verantwoordelijk zijn voor een ontwijk- of een kolonisatie respons kan deze kennis gebruikt worden op een bepaalde reactie uit te lokken. De planthormonen kunnen beïnvloed worden door verschillende bacteriën die tussen en in de wortels van de plant leven in symbiose[1]. De bacteriën zijn in staat om bepaalde hormonen en hormoon inhibitoren[2] te produceren en aan de plant toe te dienen. Door de juiste combinatie van een gewas en bepaald bacteriën (die de gewenste stoffen produceren) kan het wortelsysteem gemanipuleerd worden zoals eerder beschreven (Figuur 1).

[1] Samenlevingsvorm van verschillende soorten waarin alle organisme voordeel hebben.

[2] Inhibitor = “remmer”, een stof die een inhibitie uitvoert

 

Bibliografie

1.       Godfray, H. C. J. et al. Food security: the challenge of feeding 9 billion people. Science (New York, N.Y.) 327, 812–8 (2010).

2.       Khush, G. S. Green revolution: the way forward. Nature reviews. Genetics 2, 815–22 (2001).

3.       Den Herder, G., Van Isterdael, G., Beeckman, T. & De Smet, I. The roots of a new green revolution. Trends in plant science 15, 600–7 (2010).

4.       Péret, B. et al. Arabidopsis lateral root development: an emerging story. Trends in plant science 14, 399–408 (2009).

5.       Petricka, J. J., Winter, C. M. & Benfey, P. N. Control of Arabidopsis root development. Annual review of plant biology 63, 563–90 (2012).

6.       Franco, J., Bañón, S. & Vicente, M. Root development in horticultural plants grown under abiotic stress conditions—A review. Journal of Horticultural 86, 543–556 (2011).

7.       Gibson, S. I. Sugar and phytohormone response pathways: navigating a signalling network. Journal of experimental botany 55, 253–64 (2004).

8.       Keller, C., Hammer, D., Kayser, A. & Richner, W. Root development and heavy metal phytoextraction efficiency: comparison of different plant species in the field. Plant and Soil 67–81 (2003)

9.       Eissenstat, D. M., Wells, C. E., Yanai, R. D. & Whitbeck, J. L. Building roots in a changing environment: implications for root longevity. New Phytologist 147, 33–42 (2000).

10.     Campbell, B. & Grime, J. A new method of exposing developing root systems to controlled patchiness in mineral nutrient supply. Annals of Botany (1989).

11.     Potters, G., Pasternak, T. P., Guisez, Y. & Jansen, M. a K. Different stresses, similar morphogenic responses: integrating a plethora of pathways. Plant, cell & environment 32, 158–69 (2009).

12.     Remans, T. et al. Understanding the development of roots exposed to contaminants and the potential of plant-associated bacteria for optimization of growth. Annals of botany 110, 239–52 (2012).

13.     Krouk, G. et al. A framework integrating plant growth with hormones and nutrients. Trends in plant science 16, 178–82 (2011).

14.     Galvan-Ampudia, C. S. & Testerink, C. Salt stress signals shape the plant root. Current opinion in plant biology 14, 296–302 (2011).

15.     De Smet, I. et al. An abscisic acid-sensitive checkpoint in lateral root development of Arabidopsis. The Plant journal : for cell and molecular biology 33, 543–55 (2003).

16.     De Smet, I., Zhang, H., Inzé, D. & Beeckman, T. A novel role for abscisic acid emerges from underground. Trends in plant science 11, 434–9 (2006).

17.     Benková, E. et al. Local, efflux-dependent auxin gradients as a common module for plant organ formation. Cell 115, 591–602 (2003).

18.     Fukaki, H., Okushima, Y. & Tasaka, M. Auxin-mediated lateral root formation in higher plants. International review of cytology 256, 111–37 (2007).

19.     Fukaki, H. & Tasaka, M. Hormone interactions during lateral root formation. Plant molecular biology 69, 437–49 (2009).

20.     Raya-González, J., Pelagio-Flores, R. & López-Bucio, J. The jasmonate receptor COI1 plays a role in jasmonate-induced lateral root formation and lateral root positioning in Arabidopsis thaliana. Journal of plant physiology 169, 1348–58 (2012).

21.     Piotrowska-Niczyporuk, A., Bajguz, A., Zambrzycka, E. & Godlewska-Żyłkiewicz, B. Phytohormones as regulators of heavy metal biosorption and toxicity in green alga Chlorella vulgaris (Chlorophyceae). Plant physiology and biochemistry : PPB / Société française de physiologie végétale 52, 52–65 (2012).

22.     Elobeid, M. Physiology of auxin in response to environmental stress and heavy metal pollution. (2008).

23.     Lehotai, N. et al. Selenite-induced hormonal and signalling mechanisms during root growth of Arabidopsis thaliana L. Journal of experimental botany 63, 5677–87 (2012).

24.     Zolla, G., Heimer, Y. M. & Barak, S. Mild salinity stimulates a stress-induced morphogenic response in Arabidopsis thaliana roots. Journal of experimental botany 61, 211–24 (2010).

25.     Sanz, L., Murray, J. A. H. & Dewitte, W. To Divide and to Rule; Regulating Cell Division in Roots During Post-embryonic Growth. Progress in Botany 73, 57–81 (2012).

26.     Benková, E. & Bielach, A. Lateral root organogenesis - from cell to organ. Current opinion in plant biology 13, 677–83 (2010).

27.     Osmont, K. S., Sibout, R. & Hardtke, C. S. Hidden branches: developments in root system architecture. Annual review of plant biology 58, 93–113 (2007).

28.     Hoffmann, M., Hentrich, M. & Pollmann, S. Auxin-oxylipin crosstalk: relationship of antagonists. Journal of integrative plant biology 53, 429–45 (2011).

29.     Malamy, J. E. Intrinsic and environmental response pathways that regulate root system architecture. Plant, cell & environment 28, 67–77 (2005).

30.     Balbi, V. & Devoto, A. Jasmonate signalling network in Arabidopsis thaliana: crucial regulatory nodes and new physiological scenarios. The New phytologist 177, 301–18 (2008).

31.     De Smet, I., Vanneste, S., Inzé, D. & Beeckman, T. Lateral root initiation or the birth of a new meristem. Plant molecular biology 60, 871–87 (2006).

32.     Kepinski, S. & Leyser, O. The Arabidopsis F-box protein TIR1 is an auxin receptor. Nature 435, 446–51 (2005).

33.     Alonso, J. M., Hirayama, T., Roman, G., Nourizadeh, S. & Ecker, J. R. EIN2, a bifunctional transducer of ethylene and stress responses in Arabidopsis. Science (New York, N.Y.) 284, 2148–52 (1999).

34.     Markakis, M. N. et al. Identification of genes involved in the ACC-mediated control of root cell elongation in Arabidopsis thaliana. BMC plant biology 12, 208 (2012).

35.     Adams, E. & Turner, J. COI1, a jasmonate receptor, is involved in ethylene-induced inhibition of Arabidopsis root growth in the light. Journal of experimental botany 61, 4373–86 (2010).

36.     Cabot, C., Gallego, B., Martos, S., Barceló, J. & Poschenrieder, C. Signal cross talk in Arabidopsis exposed to cadmium, silicon, and Botrytis cinerea. Planta 237, 337–49 (2013).

37.     Kombrink, E. Chemical and genetic exploration of jasmonate biosynthesis and signaling paths. Planta 236, 1351–66 (2012).

38.     Santner, A. & Estelle, M. The ubiquitin-proteasome system regulates plant hormone signaling. The Plant journal : for cell and molecular biology 61, 1029–40 (2010).

39.     Chen, R. et al. The Arabidopsis mediator subunit MED25 differentially regulates jasmonate and abscisic acid signaling through interacting with the MYC2 and ABI5 transcription factors. The Plant cell 24, 2898–916 (2012).

40.     Papdi, C., Joseph, M. P., Salamó, I. P., Vidal, S. & Szabados, L. Genetic technologies for the identification of plant genes controlling environmental stress responses. Functional Plant Biology 36, 696 (2009).

41.     Kepinski, S. Integrating hormone signaling and patterning mechanisms in plant development. Current opinion in plant biology 9, 28–34 (2006).

42.     Xie, Q. Arabidopsis NAC1 transduces auxin signal downstream of TIR1 to promote lateral root development. Genes & Development 14, 3024–3036 (2000).

43.     De Dorlodot, S. et al. Root system architecture: opportunities and constraints for genetic improvement of crops. Trends in plant science 12, 474–81 (2007).

44.     Sun, J. et al. Arabidopsis ASA1 is important for jasmonate-mediated regulation of auxin biosynthesis and transport during lateral root formation. The Plant cell 21, 1495–511 (2009).

45.     Sauter, a, Davies, W. J. & Hartung, W. The long-distance abscisic acid signal in the droughted plant: the fate of the hormone on its way from root to shoot. Journal of experimental botany 52, 1991–7 (2001).

 

46.     Pfaffl, M., Tichopad, A., Progomet, C. & Neuvians, T. Determination of stable housekeeping genes, differentially regulated target genes and sample integrity : BestKeeper-Excel-based tool using pair-wise correlations. Biotechnol Lett 26, 509–15 (2004).

47.     Vandesompele J, De Preter K, Pattyn F, Poppe B, Van Roy N, De Pae- pe A, S. F. Accurate normalisation of real-time quantitative RT-PCR data by geometric averaging of multiple internal control genes. Genome Biol 3, research0034.1–0034.11 (2002).

48.     Remans, T. et al. Normalisation of real-time RT-PCR gene expression measurements in Arabidopsis thaliana exposed to increased metal concentrations. Planta 227, 1343–9 (2008).

49.     López, M. a et al. Antagonistic role of 9-lipoxygenase-derived oxylipins and ethylene in the control of oxidative stress, lipid peroxidation and plant defence. The Plant journal : for cell and molecular biology 67, 447–58 (2011).

50.     Vellosillo, T. et al. Oxylipins produced by the 9-lipoxygenase pathway in Arabidopsis regulate lateral root development and defense responses through a specific signaling cascade. The Plant cell 19, 831–46 (2007).

51.     He, X.-J. et al. AtNAC2, a transcription factor downstream of ethylene and auxin signaling pathways, is involved in salt stress response and lateral root development. The Plant journal : for cell and molecular biology 44, 903–16 (2005).

52.     Xu, K. et al. A genome-wide transcriptome profiling reveals the early molecular events during callus initiation in Arabidopsis multiple organs. Genomics 100, 116–24 (2012).

53.     Alliotte, T. et al. An Auxin-Regulated Gene of Arabidopsis thaliana Encodes a DNA-Binding Protein. Plant physiology 89, 743–52 (1989).

54.     Neuteboom, L. W. et al. Isolation and characterization of cDNA clones corresponding with mRNAs that accumulate during auxin-induced lateral root formation. Plant molecular biology 39, 273–87 (1999).

55.     Seo, P. J. et al. The MYB96 transcription factor mediates abscisic acid signaling during drought stress response in Arabidopsis. Plant physiology 151, 275–89 (2009).

56.     R Development Core Team R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. ISBN 3-900051-07-0 (2008).

 

Universiteit of Hogeschool
Master biomedische wetenschappen - Milieu en gezondheid
Publicatiejaar
2013
Kernwoorden
Share this on: