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Plant roots in the dark see light - Light transmitted from the shoot to the roots activates photoreceptors in the roots and triggers light-dependent growth responses in plants
Pflanzenwurzeln im Dunkeln sehen Licht - Vom Spross in die Wurzel übertragenes Licht aktiviert Lichtrezeptoren in der Wurzel und löst dort lichtabhängige Wachstumsreaktionen in Pflanzen aus
Germany
November 3, 2016
Photoreceptors in the roots are activated by light which is transmitted from the shoot to the underground roots through the stem. Graphic: Rakesh Santhanam, Angela Overmeyer, Max Planck Institute for Chemical Ecology.
Researchers from the Max Planck Institute for Chemical Ecology in Jena, Germany, and Seoul National University, South Korea, were able to show for the first time that roots react directly to light which is transmitted from the shoot to the underground parts of Arabidopsis thaliana plants. Roots can thus effectively adapt plant growth to the light conditions in the environment. (Science Signaling, November 2016, DOI: 10.1126/scisignal.aaf6530).
Light is not only a source of energy, but also an important signal which regulates many light-dependent growth processes in a plant in order to adapt it to its environment in the best possible way. Light is first detected by photoreceptors in the shoot of a plant. Physiological processes in the plant are mediated by light signaling molecules. For more than three decades, scientists have been speculating whether roots are also able to perceive light. However, this hypothesis could never be proved until this new study was published. “Physicists from Korea and biologists from Jena teamed and combined knowledge from both disciplines in order to find out, whether plant vascular bundles could act as light optical fibers and transmit light from the shoot to the roots,” Sang-Gyu Kim, one of the first authors of the study and co-initiator of the project, describes the successful cooperation.
Previous studies had shown that a special photoreceptor in plants which detects light of the wavelength red/far-red is surprisingly also expressed in the roots. However, it remained unclear how this root photoreceptor was activated. In an interdisciplinary effort, molecular biologists and optical physicists developed a highly sensitive optical detector along with the idea to compare plants with “blind” and “sighted” roots. They used plants of the thale cress Arabidopsis thaliana, a model organism in plant research, which were genetically modified in a way that the photoreceptor was only silenced in their roots, but not in their shoots. Hence, these plants had “blind” roots. The scientists grew these modified plants along with control plants; their roots were in the dark soil and their shoots exposed to light, just like in nature. The optical detector system was used to measure light which was transmitted in the stem down to the roots. “With this approach, we could show clearly and without ambiguity that light is transmitted into the roots via vascular bundles. Even if the intensity of the transmitted light was low, it was sufficient to activate the photoreceptors, trigger downstream light signaling, and influence growth in the control plants,” Chung-Mo Park, the leader of the project at Seoul National University, explains.
"These results are crucial for further research projects. Our work proves that roots are able to perceive light, even though they are usually found belowground. Photoreception in the roots triggers a signaling chain which influences plant growth, especially the root architecture,” says Ian Baldwin, leader of the study at the Max Planck Institute for Chemical Ecology in Jena. He already looks into the future: “There are more photoreceptors in the roots. Until now, it has remained largely unknown what their responsibilities in the roots are and how they interact with light signals which are transmitted from the shoots.”
It is of major importance for ecological research to show the relevance of this study for plants growing in their natural habitat. To find out, the scientists want to perform experiments with another plant species, the coyote tobacco Nicotiana attenuata, a model plant in ecology, which is adapted to an extremely strong exposition to light. The researchers propose that the newly found sensory modality of roots is enhancing the ecological performance of plants in nature, by allowing for a better timing of resource allocations for growth, reproduction and defense. [KG/AO]
Original Publication:
Lee, H.-J., Ha, J.-H., Kim, S.-G., Choi, H.-K., Kim, Z. H., Han, Y.-J., Kim, J.-I., Oh, Y., Fragoso, V., Shin, K., Hyeon, T., Choi, H.-G., Oh, K.-H., Baldwin, I. T., Park, C.-M. (2016). Stem-piped light activates phytochrome B to trigger light responses in Arabidopsis thaliana roots. Science Signaling. Vol. 9, Issue 452, pp. ra106
http://dx.doi.org/10.1126/scisignal.aaf6530
Pflanzenwurzeln im Dunkeln sehen Licht - Vom Spross in die Wurzel übertragenes Licht aktiviert Lichtrezeptoren in der Wurzel und löst dort lichtabhängige Wachstumsreaktionen in Pflanzen aus
Forschern und Forscherinnen des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena und der Nationalen Universität Seoul in Korea konnten erstmalig zeigen, dass Wurzeln der Ackerschmalwand direkt auf Licht reagieren, das vom Spross in die unterirdischen Pflanzenteile übertragen wird. Wurzeln können so das Pflanzenwachstum an die Lichtbedingungen der Umgebung anpassen. (Science Signaling, November 2016, DOI: 10.1126/scisignal.aaf6530).
Licht ist nicht nur eine Energiequelle, sondern auch ein wichtiges Signal, das viele lichtabhängige Wachstumsvorgänge in der Pflanze steuert, um sie optimal an ihre Umwelt anzupassen. Licht wird zunächst im Spross der Pflanze von Lichtrezeptoren erkannt. Über Lichtsignalmoleküle werden physiologische Prozesse in der Pflanze reguliert. Schon seit mehr als drei Jahrzehnten wurde darüber spekuliert, ob auch Wurzeln Licht wahrnehmen können. Diese Hypothese konnte aber bis zu dieser neuen Studie nicht belegt werden. „Physiker aus Korea und Biologen aus Jena haben jetzt das Wissen aus beiden Bereichen kombiniert , um zu untersuchen, ob die Leitgefäße im Spross wie eine Art Faser Licht vom Spross in die Wurzel leiten“, beschreibt Sang-Gyu Kim, einer der Erstautoren der Studie und Mitinitiator des Projekts, die erfolgreiche Kooperation.
Frühere Studien hatten gezeigt, dass ein bestimmter pflanzlicher Lichtrezeptor, der Licht der Wellenlängen rot/infrarot wahrnimmt, erstaunlicherweise auch in den Wurzeln vorkommt. Unklar war allerdings, wie er dort aktiviert wird. In ihrem interdisziplinären Projekt entwickelten nun Molekularbiologen und Spezialisten für angewandte Optik einen hochsensitiven Lichtdetektor sowie die Idee, „blinde“ und „sehende“ Wurzeln zu kreieren. Die Forscher verwendeten Pflanzen der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), einer Modellpflanze in der botanischen Forschung, die genetisch so verändert waren, dass der Lichtrezeptor nur in den Wurzeln außer Kraft gesetzt wurde, nicht aber im Spross. Diese Pflanzen waren also in der Wurzel „blind“. Für die Untersuchungen wuchsen diese Versuchspflanzen zusammen mit Kontrollpflanzen wie in der Natur: mit den Wurzeln im Dunkeln und dem Spross im Licht. Das optische Detektorsystem wurde eingesetzt, um das Licht zu messen, dass im Stamm hinunter in die Wurzeln übertragen wurde. „Mit diesem Ansatz konnten wir eindeutig zeigen, dass Licht durch die Leitbündel in die Wurzel geleitet wird. Auch wenn die gemessene Intensität sehr gering war, war sie ausreichend, um die Lichtrezeptoren zu aktivieren, eine Lichtsignalkette auszulösen und das Wachstum in den Kontrollpflanzen zu beeinflussen“, erläutert Chung-Mo Park, Leiter des Projekts an der Nationalen Universität in Seoul.
„Diese Ergebnisse sind entscheidend für die weitere Forschung. Unsere Arbeit belegt, dass Wurzeln auch im Boden Licht wahrnehmen können. Dies wiederum aktiviert eine Signalkette, die das Pflanzenwachstum, insbesondere die Wurzelarchitektur, beeinflusst“, sagt Ian Baldwin, Studienleiter am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena. Er blickt bereits in die Zukunft. „In den Wurzeln gibt es noch weitere Lichtrezeptoren. Deren Aufgabe in den Wurzeln und ihr Zusammenspiel mit Lichtsignalen, die aus dem Spross in die Wurzel geleitet werden, ist noch weitgehend unbekannt.“
Von großer Bedeutung für die ökologische Forschung ist es nun, zu zeigen, welche Bedeutung das Ergebnis dieser Studie für Pflanzen hat, die in ihrer natürlichen Umgebung wachsen. Dazu wollen die Forscher Untersuchungen an einer anderen Pflanzenart durchführen, dem Kojotentabak Nicotiana attenuata, einer Modellpflanze der Ökologie, die an extrem starke Lichtverhältnisse angepasst ist. Die Forscher vermuten, dass die neu entdeckte Fähigkeit von Pflanzenwurzeln, Licht wahrzunehmen, entscheidend zur Überlebensfähigkeit von Pflanzen in der Natur beiträgt, indem Energieressourcen für Wachstum, Fortpflanzung und Verteidigung effektiver zugeteilt werden können. [KG/AO]
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Website: http://www.ice.mpg.de/ext/home0.html Published: November 3, 2016 |
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