Hoe planten de hitte kunnen verslaan:hun geheugenmechanisme om zich aan te passen aan hittestress

"Als je niet tegen de hitte kunt, ga dan de keuken uit." Maar wat als je een plant bent en dat kan gewoon niet? Het blijkt dat ze andere opties hebben. Onderzoekers uit Japan hebben ontdekt dat planten hittetolerantie kunnen krijgen om zich beter aan te passen aan toekomstige hittestress, dankzij een bepaald mechanisme voor hittestress 'geheugen'.

In een studie gepubliceerd in Nature Communications hebben onderzoekers van het Nara Institute of Science and Technology onthuld dat een familie van eiwitten die kleine hitteschokgenen aansturen, ervoor zorgt dat planten zich kunnen 'herinneren' hoe ze met hittestress moeten omgaan.

Klimaatverandering, vooral de opwarming van de aarde, vormt een groeiende bedreiging voor de landbouw wereldwijd. Omdat planten niet kunnen bewegen om ongunstige omstandigheden, zoals potentieel dodelijke hoge temperaturen, te vermijden, moeten ze effectief kunnen omgaan met factoren zoals hittestress om te overleven. Daarom is het verbeteren van de hittetolerantie van gewassen een belangrijk doel in de landbouw.

"Hittestress herhaalt en verandert vaak", zegt hoofdauteur van de studie Nobutoshi Yamaguchi. “Als planten eenmaal milde hittestress hebben ondergaan, worden ze tolerant en kunnen ze zich aanpassen aan verdere hittestress. Dit wordt hittestress 'geheugen' genoemd en er is gemeld dat het verband houdt met epigenetische modificaties." Epigenetische modificaties zijn erfelijke veranderingen in de manier waarop genen tot expressie worden gebracht en brengen geen veranderingen in de onderliggende DNA-sequenties met zich mee.

"We wilden ontdekken hoe planten een herinnering aan veranderingen in het milieu behouden", legt Toshiro Ito, senior auteur, uit. "We onderzochten de rol van JUMONJI (JMJ)-eiwitten in verworven temperatuurtolerantie als reactie op terugkerende hitte binnen een paar dagen."

Dit is waar wat ze hebben geleerd ingewikkeld wordt voor iedereen zonder een goed begrip van chemie, genstructuur, epigenetica en hoe het allemaal samenwerkt.

Hier is hun wetenschappelijke verklaring van wat er gebeurt:

JUMONJI-eiwitten zijn histon-demethylasen. Demethylasen zijn enzymen die methylgroepen verwijderen uit moleculen zoals eiwitten, met name histonen, die structurele ondersteuning bieden aan chromosomen. Het team onthulde dat planten in staat zijn om hun warmtegeheugen te behouden vanwege verlaagde H3K27me3 (histone H3 lysine 27 trimethylering) op kleine hitteschokgenen.

Hier is een beeld van wat er aan de hand is dat de rest van ons kan begrijpen:

Links zie je een plant die door hitte is gestrest maar nog niet is geacclimatiseerd. Zie je de kleine ronde cirkels die aan elk hitteschok-eiwit zijn bevestigd? Dat zijn de methylgroepen. Aan de rechterkant kun je zien dat het kleine PacMan-achtige JUMONJI-eiwit twee van die eiwitten "opgegeten" heeft en daarbij een "geheugen"-pad heeft gecreëerd voor de plant om te acclimatiseren en om te gaan met toekomstige hittestress.

En waarom kan het ons schelen?

De heer Yamaguchi zegt:"We ontdekten dat deze eiwitten nodig zijn voor warmte-acclimatisering in Arabidopsis thaliana (de plant die ze gebruikten voor hun studies). Deze resultaten, samen met toekomstige studies, zullen de mechanismen van het geheugen en de aanpassing van planten verder verduidelijken." Hij zegt dat dit onderzoek relevant zal zijn voor genetisch onderzoek op een aantal gebieden, waaronder biologie, biochemie, ecologie en milieu- en landbouwwetenschappen, en is van toepassing op de studie van zowel dieren als planten.

Voor de rest van ons betekent dit dat we, door deze mechanismen te begrijpen, de mogelijkheid hebben om planten te helpen herinneringen te ontwikkelen die hun hittetolerantie zullen verbeteren om de voedselvoorziening in natuurlijke omstandigheden te behouden.

Als je het volledige artikel wilt lezen, kun je het hier vinden:H3K27me3-demethylasen veranderen HSP22- en HSP17.6C-expressie als reactie op terugkerende hitte in Arabidopsis

Je kunt hier meer te weten komen over het laboratorium van projectleider Ito en het werk dat hij doet .