211service.com
Toxicitetsresistenta grödor
Mycket av världens odlingsmark innehåller aluminium som hindrar grödor. Men en ny studie har hittat ett sätt att få växter att växa sig höga trots metallens giftiga effekter. Upptäckten av växtbiologer vid University of California, Riverside, tyder på att genteknik kan öka avkastningen från fält som idag inte är idealiska för att odla grödor.
Aluminiumfolie: När aluminium i jordar aktiveras av sura förhållanden skadar det växternas DNA. Som svar stannar normala rotceller i mitten av delning (översta raden). Men i växter med en mutation som gör dem blinda för DNA-skadorna, fortsätter rotceller att dela sig, och kringgå aluminiums hämmande effekter (nedre raden).
Aluminium är vanligt i jordar - det är en viktig komponent i lera - men bara i sura jordar bildar metallen en jon som kan lösas upp i vätskor och som är giftig för växter. Sura jordar utgör dock så mycket som hälften av världens odlingsmarker, och aluminiumtoxicitet är den främsta faktorn som håller tillbaka växtodlingen i nästan 20 procent av världens åkerjordar, inklusive stora områden i USA öster om Mississippifloden och nordvästra Europa .
Problemet är att vi har alla dessa växter – vete och majs och korn och så vidare – som inte har utvecklats eller utvecklats på aluminiumgiftiga jordar, studieledare och professor i biokemi Paul Larsen säger. De har inte naturligt motstånd eller tolerans mot aluminium. Växtförädlare jobbar på att utveckla stammar som bättre klarar giftigt aluminium, men de har bara kunnat göra stegvisa förbättringar, säger Larsen.
I en studie i Aktuell biologi , Larsen och hans kollega Megan Rounds har upptäckt en enkel mutation till en enda gen som får växter att frodas trots nivåer av aluminium som normalt skulle vara giftigt. Larsen och Rounds hittade genen, kallad AtATR, genom att kamma igenom mutanter av Arabidopsis , en medlem av senapsfamiljen som ofta används i växtgenetiska studier. Genen är relaterad till en familj av proteiner som är kända för att hjälpa till med att hitta och svara på DNA-skador i nästan alla flercelliga organismer.
Giftiga aluminiumjoner är kända för att skada DNA, och den nya studien tyder på att växter svarar genom att stänga av tillväxten av celler i rötternas spetsar när de samlar på sig för mycket DNA-skador. Växter kan ha utvecklat detta svar för att hjälpa dem, över generationer, att klara av aluminiums giftiga effekter, spekulerar Larsen. Men på kort sikt betyder det att växterna är mindre friska och är förkrympta och mer sårbara för stressfaktorer som torka.
Men den nyligen identifierade mutationen inaktiverar AtATR-proteinet, så celler reagerar inte på DNA-skador genom att stänga av celldelningen och därigenom kringgå den kontrollpunkten, säger Larsen. Växten är effektivt blind för vad som händer i cellen. Så de muterade växterna kan upprätthålla höga tillväxtnivåer i närvaro av giftiga nivåer av aluminium, även om de lider av vissa DNA-skador.
Det är ännu inte klart hur mycket DNA-skador växterna får, säger Larsen. Men strategin skulle kunna främja kortsiktig tillväxt även om den skulle offra växternas DNA. För att undvika att DNA-skador ackumuleras under generationer av odling på aluminiumrika jordar, kunde bönder få frön från muterade växter odlade på aluminiumfri jord. Detta skulle spegla hur bönder i industrialiserade länder använder hybridfrön från jordbruksföretag snarare än att spara sina egna frön för att plantera ytterligare generationer av grödor.
Arbetet ger det första övertygande beviset för en mekanism som förklarar den toxiska effekten av [aluminium] på rottillväxt, säger växtbiologen Manny Delhaize från Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization Plant Industry Center, i Canberra, Australien. Det har funnits många teorier om hur aluminium stoppar rottillväxt, och detta arbete ger övertygande bevis angående den inblandade molekylära processen. Delhaize säger att en annan metod för att hålla tillväxthastigheten hög, samtidigt som den begränsar eventuella DNA-skador, kan vara att konstruera växter så att deras rotspetsar uttrycker molekyler som skulle inaktivera AtATR.
Men ett sådant riktat tillvägagångssätt kanske inte är nödvändigt, menar Larsen. Även efter att ha odlat mutantväxterna på aluminiuminnehållande jordar i flera generationer, finns det inga uppenbara skadliga effekter på tillväxt, livskraft, [eller] fröproduktion, säger han.