Munich, Germany
April 15, 2024
- Oilseed rape reacts to boron deficiency during flowering in a similar way as to pests and infections
- Boron deficiency could become an increasing problem due to climate change
- Study lays the foundation for breeding more boron-efficient plants
Boron deficiency has a devastating effect on oilseed rape and related plants. However, little is known about the underlying genetic mechanisms. A study shows that the response to persistent or short-term acute boron deficiency is similar to that to pests and infections. The results lay the foundation for breeding plants that can better cope with boron deficiency and for avoiding related yield losses.
Oilseed rape and related plants have a high boron requirement. A boron deficiency is often invisible on the outside of the affected plants for a long time, especially during vegetative stages. Nevertheless, it has serious consequences: First, the deficiency can inhibit root growth, and then later, the flowers can shrivel and die prematurely. This can result in enormous yield losses, especially when seeds or grains are the crop product of interest. In order to understand the underlying mechanisms, researchers from the Technical University of Munich (TUM), Bielefeld University and the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) have investigated which genes are active when boron is deficient and which are active when there is sufficient supply.
In a first step, the plants react to boron deficiency by producing more transport proteins that take up the nutrient. If deficiency persists, though, a stress reaction comes to the foreground in the developing and yield-relevant flowers. This resembles the reaction to pest attacks, wounding or infections and leads to the death of the affected flowers. It is still unknown whether the response is a targeted reaction of the plant to save resources for a potentially later flowering or whether the signaling pathway is triggered unintentionally. Both boron deficiency and infections damage plant cell walls. Cell wall damage could mimic infection and lead to a similar signal even in the absence of an infectious threat.
Boron-efficient plant varieties secure yields
Climate change could make boron shortages even more frequent in the future. In Central Europe, winters with more precipitation and prolonged dry periods in spring and summer are expected. As a result, water-soluble nutrients will be increasingly washed out in winter. In spring, the soil lacks moisture for the plants to absorb the nutrients. Under these conditions, it is difficult to compensate for the nutrient deficiency through targeted fertilization. "Either the boron in the soil does not reach the plant, or an already undetected boron deficiency leads to damage to the pathways for water and nutrients. As a result, applied boron can no longer be transported to the places in the plant where it is needed," says Prof. Gerd Patrick Bienert from the TUM Chair of Crop Physiology.
Developing plant varieties that can either handle boron efficiently or are both water and boron efficient can secure future yields. The researchers' findings contribute to identifying possible starting points in plant breeding. "The identification and breeding of boron efficiency mechanisms and the cultivation of boron-efficient varieties will become increasingly important in the context of climate change. A sufficient supply of boron is essential for the yield stability of crops, especially when water is scarce," says crop researcher Bienert.
Publication:
Verwaaijen, B., Alcock, T.D., Spitzer, C., Liu, Z., Fiebig, A., Bienert, M.D. et al. (2023) The Brassica napus boron deficient inflorescence transcriptome resembles a wounding and infection response. Physiologia Plantarum, 175(6), e14088. Available from: https://doi.org/10.1111/ppl.14088
Further information:
Researchers from the Technical University of Munich (TUM), Bielefeld University and the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) were involved in the study.
Bormangel: Raps reagiert wie bei Infektionen und Schädlingsbefall | Genetische Mechanismen aufgedeckt
Bormangel wirkt sich verheerend auf Raps und verwandte Pflanzen aus. Dennoch ist bisher wenig über die zugrundeliegenden genetischen Mechanismen bekannt. Eine Studie zeigt, dass die Reaktion auf anhaltenden oder akuten kurzzeitigen Bormangel ähnlich zu der auf Schädlinge und Infektionen ist. Die Ergebnisse legen die Grundlage für die Züchtung von Pflanzen, die besser mit Bormangel umgehen können, und für die Vermeidung von Ertragsverlusten, die durch Bormangel verursacht werden.
• Raps reagiert während der Blüte auf Bormangel ähnlich wie auf Schädlinge und Infektionen
• Bormangel könnte durch Klimawandel zunehmend zum Problem werden
• Studie legt die Grundlage für die Zucht von boreffizienteren Pflanzen
Raps und verwandte Pflanzen haben einen hohen Borbedarf. Einen Bormangel sieht man den betroffenen Pflanzen äußerlich lange nicht an, insbesondere in der Wachstumsphase vor der Blüte. Trotzdem hat dieser schwerwiegende Folgen: Zuerst hemmt der Mangel das Wurzelwachstum, dann verkümmern die Blüten und sterben schließlich vorzeitig ab. Enorme Ertragsverluste können damit verbunden sein. Um die zugrundeliegenden Mechanismen zu verstehen, haben Forschende der Technischen Universität München (TUM), der Universität Bielefeld, und des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) untersucht, welche Gene bei Bormangel und welche bei ausreichender Versorgung aktiv sind.
In einem ersten Schritt reagieren die Pflanzen auf Bormangel, indem sie mehr Transportproteine produzieren, die den Nährstoff aufnehmen. Bei andauerndem Mangel rückt jedoch in den sich entwickelnden und ertragsrelevanten Blüten eine Stressreaktion in den Vordergrund. Diese ähnelt der Reaktion auf Schädlingsangriffe, Verwundung oder Infektionen und führt zum Absterben der betroffenen Blüten. Noch ist unbekannt, ob es sich dabei um eine gezielte Reaktion der Pflanze handelt, um Ressourcen für eine potenziell später mögliche Blütenbildung einzusparen oder, ob der Signalweg zufällig ausgelöst wird. Sowohl Bormangel als auch Infektionen schädigen pflanzliche Zellwände. Diese Zellwandschädigungen könnten als „gleichgeartetes“ Signal wahrgenommen und verarbeitet werden.
Boreffiziente Pflanzensorten sichern Erträge
Durch den Klimawandel könnte Bormangel künftig noch häufiger werden. In Zentraleuropa werden Winter mit mehr Niederschlägen sowie anhaltende Trockenperioden im Frühjahr und Sommer erwartet. Dies führt dazu, dass wasserlösliche Nährstoffe im Winter verstärkt ausgewaschen werden. Im Frühjahr fehlt es an Bodenfeuchtigkeit, damit die Pflanzen den Nährstoff aufnehmen können. Unter diesen Bedingungen kann das Nährstoffdefizit nur schwer durch gezielte Düngung ausgeglichen werden. „Entweder erreicht das Bor im Boden die Pflanze nicht, oder bereits unerkannt fortgeschrittener Bormangel führt zu Schädigungen der Leitbahnen für Wasser und Nährstoffe. Dadurch kann ausgebrachtes Bor nicht mehr zu den Stellen in der Pflanze transportiert werden, an denen es benötigt wird“, so Prof. Gerd Patrick Bienert von der TUM-Professur für Crop Physiology.
Pflanzensorten zu entwickeln, die entweder effizient mit Bor umgehen können oder sowohl wasser- als auch boreffizient sind, kann künftige Erträge sichern. Die Erkenntnisse der Forschenden liefern einen Beitrag dazu, wo mögliche Ansatzpunkte in der Pflanzenzüchtung sein könnten. „Die Identifikation und züchterische Verwertung von Boreffizienzmechanismen und der Anbau von boreffizienten Sorten werden im Kontext des Klimawandels an Bedeutung zunehmen. Eine ausreichende Borversorgung ist für die Ertragsstabilität von Kulturpflanzen besonders bei Wasserknappheit von essenzieller Bedeutung“, sagt Pflanzenforscher Bienert.
Originalpublikation:
Verwaaijen, B., Alcock, T.D., Spitzer, C., Liu, Z., Fiebig, A., Bienert, M.D. et al. (2023) The Brassica napus boron deficient inflorescence transcriptome resembles a wounding and infection response. Physiologia Plantarum, 175(6), e14088. Available from: https://doi.org/10.1111/ppl.14088
Topics
Species
