Friburg, Germany
June 10, 2022
When observing thale cress, Sjon Hartman and his collaborators found out which signaling pathways the hormone ethylene uses to switch on a molecular emergency program in plants in the event of flooding. - Credit: Iris Hartman / University of Freiburg
Sjon Hartman und seine Koopertationspartner*innen fanden in der Ackerschmalwand heraus, über welche Signalwege das Hormon Ethylen im Falle einer Überschwemmung in Pflanzen ein molekulares Notfallprogramm einschaltet. Foto:Iris Hartman/Universität Freiburg
Extreme weather phenomena are on the rise worldwide, including frequent droughts and fires. Floods are also a clear consequence of climate change. For agriculture, a flooded field means major losses: about 15 percent of global crop losses are due to flooding. As part of a collaboration between Freiburg, Utrecht in the Netherlands, and other institutes, Junior Professor Dr. Sjon Hartman from the Cluster of Excellence CIBSS - Centre for Integrative Biological Signalling Studies at the University of Freiburg, has now discovered that a signaling molecule can make plants more resistant to flooding. The gaseous plant hormone ethylene causes the plant to switch on a kind of molecular emergency power system that helps it survive the lack of oxygen during flooding. The team had previously demonstrated that ethylene sends a signal to the plant that it is underwater. Pretreating the experimental plants with the hormone improved their chances of survival. The results, which appeared in the journal Plant Physiology, should help to combat waterlogging and flooding in agriculture and, for example, to develop resistant plant varieties.
Tracking the adaptations to wet conditions
Plant species differ greatly in their ability to survive periods of flooding or waterlogging. “In the case of potatoes, the roots die after two days due to a lack of oxygen. Rice plants are much more resistant, able to survive their entire lives in waterlogged paddy fields,” Hartman explains. The Arabidopsis thaliana, a model organism for plant research, can be used to study the genes and proteins that make up this adaptation. “Plants notice that they are surrounded by water because the gas ethylene, which all plant cells produce, can no longer escape into the air,” Hartman continues. The researchers showed this in previous studies at Utrecht University. Receptors throughout the plant subsequently respond to increased concentrations of the hormone.
Simulate flooding with oxygen deprivation
The team simulated flooding by placing Arabidopsis seedlings in a bell jar without light or oxygen. When the seedlings were previously exposed to ethylene gas, the root tip cells survived longer. The treated plants stopped root growth and switched energy production in the cells to oxygen-free metabolic processes. In addition, the ethylene caused the cells to be better protected against harmful oxygen radicals that accumulate in oxygen-deprived plants. This was revealed by analyses of gene activity and protein composition of the cells.
"Taken together, these rearrangements that ethylene triggers improve plant survival during and after flooding," Hartman summarizes. "As we better understand these signaling pathways, we can learn to make crops more resilient to flooding to combat climate change."
Read more about Jun.-Prof. Dr. Sjon Hartman's research at CIBSS:
https://www.cibss.uni-freiburg.de/de/news/he-is-getting-to-the-root-of-plant-memory-2
About the Cluster of Excellence CIBSS
The Cluster of Excellence CIBSS - Centre for Integrative Biological Signalling Studies aims to gain a comprehensive understanding of biological signaling processes across scales - from the interactions of single molecules and cells to the processes in organs and whole organisms. The researchers are using the knowledge they have gained to develop strategies that can be used to control signals in a targeted manner. Thanks to these technologies, they not only able to unlock new insights in research, but also enable innovations in medicine and plant sciences.
Overview of facts:
- Original publication: Liu, Z., Hartman, S., van Veen, H., Zhang, H., Leeggangers, H., Martopawiro, S., Bosman, F., de Deugd, F., Su, P., Hummel, M., Rankenberg, T., Hassall, K., Bailey-Serres, J., Theodoulou, F., Voesenek, L., Sasidharan, R. (2022): Ethylene augments root hypoxia tolerance via growth cessation and reactive oxygen species amelioration, Plant Physiology, 2022, kiac245, https://doi.org/10.1093/plphys/kiac245
- Sjon Hartman has been Junior Professor for “Plant Environmental Signalling and Development” at the University of Freiburg since 2022 and is a member of the Cluster of Excellence CIBSS - Centre for Integrative Biological Signalling Studies.
- Hartman researches the biological signaling processes that enable plants to respond to their environment and adapt to changing conditions. https://www.hartman-plantlab.com/
Wie Nutzpflanzen Überschwemmungen besser überstehen
Forschende aus Freiburg und Utrecht weisen nach, welche Signalwege Pflanzen widerstandsfähiger bei Überflutungen machen
Weltweit nehmen extreme Wetterphänomene zu – häufige Dürren, Brände, aber auch Hochwasser sind Folgen des Klimawandels. Für die Landwirtschaft bedeutet ein überschwemmtes Feld große Verluste: Etwa 15 Prozent der globalen Ernteausfälle gehen auf Überschwemmungen zurück. Als Teil eines Teams aus Freiburg, Utrecht/Niederlande und weiteren Instituten fand Juniorprofessor Dr. Sjon Hartman vom Exzellenzcluster CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies der Universität Freiburg nun heraus, dass ein Signalmolekül Pflanzen widerstandsfähiger gegen Überschwemmungen machen kann. Das gasförmige Pflanzenhormon Ethylen bewirkt, dass die Pflanze eine Art molekulares Notstromsystem anschaltet, das ihr hilft, den Sauerstoffmangel bei Überflutung zu überstehen. Das Team hatte zuvor nachgewiesen, dass Ethylen der Pflanze das Signal übermittelt, dass sie unter Wasser steht. Eine Vorbehandlung der Versuchspflanzen mit dem Hormon verbesserte die Überlebenschancen. Die Ergebnisse, die im Fachjournal Plant Physiology erschienen sind, sollen helfen, in der Landwirtschaft gegen Staunässe und Hochwasser vorzugehen und zum Beispiel widerstandsfähige Pflanzensorten zu entwickeln.
Den Anpassungen an Nässe auf der Spur
Pflanzenarten unterscheiden sich stark in ihrer Fähigkeit, Phasen der Überschwemmung oder Staunässe zu überstehen: „Bei der Kartoffel sterben nach zwei Tagen durch mangelnden Sauerstoff die Wurzeln ab. Reispflanzen sind viel resistenter, sie können ihr ganzes Leben in gefluteten Feldern überleben“, erklärt Hartman. An der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana – einem Modellorganismus der Pflanzenforschung – lassen sich die Gene und Proteine untersuchen, die diese Anpassung ausmachen. „Dass sie von Wasser umgeben sind, merken Pflanzen daran, dass das Gas Ethylen, das alle Pflanzenzellen produzieren, nicht mehr in die Luft entweichen kann“, führt Hartman weiter aus. Das zeigten die Forschenden in vorherigen Studien an der Universität Utrecht. Rezeptoren in der ganzen Pflanze reagieren im Anschluss auf erhöhte Konzentrationen des Hormons.
Überschwemmung mit Sauerstoffentzug simulieren
Das Team simulierte die Überschwemmung, indem sie Keimlinge der Ackerschmalwand unter eine Glocke ohne Licht und Sauerstoff legten. Wenn die Keimlinge zuvor dem Gas Ethylen ausgesetzt waren, überlebten die Zellen der Wurzelspitzen länger. Die behandelten Pflanzen stoppten das Wachstum der Wurzeln und stellten die Energiegewinnung in den Zellen auf sauerstofffreie Stoffwechselvorgänge um. Außerdem bewirkte das Ethylen, dass die Zellen besser gegen schädliche Sauerstoffradikale geschützt waren, die sich bei Sauerstoffmangel in Pflanzen ansammeln. Dies ergaben Analysen von Genaktivitäten und der Proteinzusammensetzung der Zellen.
„Zusammengenommen verbessern diese Umstellungen, die Ethylen auslöst, die Überlebenschancen der Pflanzen während und nach der Überschwemmung“, fasst Hartman zusammen. „Wenn wir diese Signalwege besser verstehen, können wir lernen, Nutzpflanzen widerstandsfähiger gegen Hochwasser zu machen, um dem Klimawandel entgegenzutreten.“
Mehr über die Forschung von Jun.-Prof. Dr. Sjon Hartman bei CIBSS
Über den Exzellenzcluster CIBSS
Der Exzellenzcluster CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies hat das Ziel, ein umfassendes Verständnis von biologischen Signalvorgängen über Skalen hinweg zu gewinnen – von den Wechselwirkungen einzelner Moleküle und Zellen bis hin zu den Prozessen in Organen und ganzen Organismen. Die Forscherinnen und Forscher setzen das gewonnene Wissen ein, um Strategien zu entwickeln, mit denen sich Signale gezielt kontrollieren lassen. Sie erschließen dank dieser Technologien nicht nur neue Erkenntnisse in der Forschung, sondern ermöglichen auch Innovationen in der Medizin und den Pflanzenwissenschaften.
Faktenübersicht:
- Originalpublikation: Liu, Z., Hartman, S., van Veen, H., Zhang, H., Leeggangers, H., Martopawiro, S., Bosman, F., de Deugd, F., Su, P., Hummel, M., Rankenberg, T., Hassall, K., Bailey-Serres, J., Theodoulou, F., Voesenek, L., Sasidharan, R. (2022): Ethylene augments root hypoxia tolerance via growth cessation and reactive oxygen species amelioration, Plant Physiology, 2022, kiac245, https://doi.org/10.1093/plphys/kiac245
- Sjon Hartman ist seit 2022 Junior-Professor für „Plant Environmental Signalling and Development“ an der Universität Freiburg und Mitglied des Exzellenzclusters CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies.
- Hartman erforscht, welche biologischen Signalprozesse es Pflanzen ermöglichen, auf ihre Umwelt zu reagieren und sich an veränderte Bedingungen anzupassen. https://www.hartman-plantlab.com
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