Würzburg, Germany
July 7, 2016
The increasing salinisation of soils is a major problem for farmers worldwide. Scientists of the University of Würzburg have now examined how plants regulated their salt intake. Their results could be significant to breed more salt-tolerant species.
It is common knowledge that salt consists of the cation sodium and the anion chloride. However, the substance used to season food has been a cause of great concern to farmers for some time now: In times of climate change, more and more agricultural areas have to be irrigated. This inevitably leads to the increasing salinisation of soils, that is the accumulation of sodium and chloride ions.
Plants that grow on such soils usually have a hard time. And that is for a reason: Higher doses of chloride have a toxic effect on plant development. In contrast, they need the anion nitrate as an essential source of nitrogen to build proteins and multiply their DNA. The Würzburg plant scientists Dietmar Geiger and Rainer Hedrich have recently studied whether and how plants are capable of distinguishing between the nutrient nitrate and the harmful chloride. They present the results of their research in the current issue of the renowned journal Current Biology.
Two channels filter nitrate and chloride
Elongated cells that pervade the plant body like a system of tubes conduct water and nutrients from the roots into the shoot. Specialised cells inside the roots load nutrients absorbed from the soil onto this conducting system. In these loading stations, the Würzburg researchers detected the two anion channels SLAH1 and SLAH3 which are responsible for regulating the passage of nitrate and chloride.
In cooperation with the Spanish working group of Dr Colmenero-Flores, the scientists studied genetically modified plants in which SLAH1 or SLAH3 is missing. The sap of these mutants ascending to the shoot through the plant's vascular system only contained half the amount of chloride ions. The nitrate content, however, remained unchanged. Hence, the researchers concluded that both anion channels regulate the entry of chloride into the shoot.
Biophysical studies uncover chloride switch
To pinpoint the anion filter in charge of nitrate in the channels, the researchers next took a closer look at the channel molecules. For this purpose, they measured the anion current through SLAH1 and SLAH3 directly using biophysical methods. "We found SLAH1 to be incapable of conducting anions in the first place and SLAH3 to mainly conduct nitrate," Professor Rainer Hedrich describes the unexpected result.
In the course of further studies, the scientists found the explanation for their strange finding: "The alleged contradiction between the nitrate and chloride contents in the sample plants and in the mutants was resolved when we brought the two anion channels together," Professor Dietmar Geiger explains. It turned out that the two channels form a functional complex. "Each time SLAH1 enters into the complex, the anion filter in SLAH3 will switch from nitrate to chloride and vice versa," Geiger further.
Where does this switch play a role? The Spanish colleagues delivered the answer to this question. In order to determine the identity of the chloride-nitrate switch in the plant, they simulated salt-affected soils to the plants. The higher the salt load the roots of the sample plants were exposed to, the more SLAH1 was withdrawn from the anion channel complex. Hedrich: "In this process, the chloride-conducting complex gradually evolves into a nitrate-conducting status." This allows the plant to maintain its intake of nitrate as a vital source of nitrogen without taking damage by the salinisation-related increase in chloride concentration.
Results published in "Current Biology"
With their studies on the salt tolerance of plants, the Würzburg plant scientists Dietmar Geiger and Rainer Hedrich together with their colleagues from Seville and Riyadh have demonstrated a wholly new concept of anion intake regulation in the vascular tissue of the roots. According to the researchers, the discovery of the regulatory anion channel SLAH1 will not least have an impact on optimising the salt tolerance of crops in the future.
https://www.uni-wuerzburg.de/en/sonstiges/meldungen/detail/artikel/wie-pflanzen-auf-versalzten-boeden-wachsen-koennen/
- Full bibliographic informationSilent S-type anion channel subunit SLAH1 gates SLAH3 open for chloride root-to-shoot translocation, Paloma Cubero-Font, Tobias Maierhofer, Justyna Jaslan, Miguel A. Rosales, Joaquín Espartero, Pablo Díaz-Rueda, Heike M. Müller, Anna-Lena Hürter, Khaled A.S. AL-Rasheid, Irene Marten, Rainer Hedrich, José M. Colmenero-Flores, Dietmar Geiger, Current Biology, published online on 07 July 2016, http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2016.06.045
Wie Pflanzen auf versalzten Böden wachsen können
Die zunehmende Versalzung von Böden ist für die Landwirtschaft weltweit ein Problem. Wissenschaftler der Universität Würzburg haben jetzt untersucht, wie Pflanzen die Salzaufnahme regulieren. Ihre Ergebnisse könnten für die Züchtung salzresistenter Arten von Bedeutung sein.
Das weiß vermutlich jeder noch aus dem Schulunterricht: Salz besteht aus dem Kation Natrium und dem Anion Chlorid. Der Stoff, der in der Küche für die richtige Würze sorgt, bereitet der Landwirtschaft allerdings seit geraumer Zeit große Probleme: In Zeiten des Klimawandels müssen immer mehr landwirtschaftliche Flächen bewässert werden. Das führt zwangsläufig zu einer zunehmenden Versalzung der Böden, also zu einer Anreicherung von Natrium- und Chlorid-Ionen.
Modell der Chloridvermeidung auf versalzten Böden - Grafik: Dietmar Geiger
Pflanzen, die auf solchen Böden wachsen, tun sich in der Regel schwer. Der Grund: Höhere Dosen von Chlorid wirken sich toxisch auf ihre Entwicklung aus. Im Gegensatz dazu benötigen sie das Anion Nitrat als wichtigste Stickstoffquelle für den Aufbau von Proteinen und der Vervielfältigung ihres Erbguts, der DNA. Die Würzburger Pflanzenwissenschaftler Dietmar Geiger und Rainer Hedrich haben jetzt untersucht, ob und wie Pflanzen zwischen dem Nährstoff Nitrat und dem Schadstoff Chlorid unterscheiden können. Die Ergebnisse ihrer Arbeit stellen sie in der aktuellen Ausgabe der hochrangigen Fachzeitschrift Current Biology vor.
Zwei Kanäle filtern Nitrat und Chlorid
Langgestreckte Zellen, die den Pflanzenkörper wie ein Röhrensystem durchziehen, leiten Wasser und Nährstoffe von der Wurzel in den Spross. Spezialisierte Zellen im Inneren der Wurzel beladen dieses Leitsystem mit Nährstoffen, die aus dem Boden aufgenommen wurden. In diesen Ladestationen haben die Würzburger Pflanzenforscher zwei Anionenkanäle SLAH1 und SLAH3 entdeckt, die den Durchlass von Nitrat und Chlorid vermitteln.
In Zusammenarbeit mit der spanischen Arbeitsgruppe um Dr. Colmenero-Flores haben die Wissenschaftler gentechnisch veränderte Pflanzen untersucht, denen SLAH1 oder SLAH3 fehlten. Diese Mutanten hatten nur noch die Hälfte an Chlorid-Ionen im Saft, der im Leitgewebe zum Spross hinaufsteigt. Der Gehalt an Nitrat blieb hingegen unverändert. Daraus schlossen die Wissenschaftler, dass beide Anionenkanäle den Eintritt von Chlorid in den Spross kontrollieren.
Biophysikalische Studien finden den Chlorid-Schalter
Um den für Nitrat verantwortlichen Anionenfilter in den Kanälen zu finden, haben die Forscher anschließend die Kanalmoleküle genauer unter die Lupe genommen. Dazu haben sie den Anionenstrom durch SLAH1 und SLAH3 direkt mit biophysikalischen Verfahren gemessen. „Dabei mussten wir feststellen, dass SLAH1 gar keine eigene Anionen-Leitfähigkeit besitzt und SLAH3 maßgeblich Nitrat leitet“, schildert Professor Rainer Hedrich das unerwartete Ergebnis.
Die Erklärung für diesen merkwürdigen Befund fanden die Wissenschaftler im Zuge weiterer Untersuchungen: „Der vermeidliche Wiederspruch zwischen den Nitrat- und Chlorid-Gehalten in den Versuchspflanzen und Mutanten klärte sich auf, als wir beide Anionenkanäle zusammenbrachten“, so Professor Dietmar Geiger. Dabei zeigt sich: Beide Kanäle bilden einen funktionellen Komplex. „Immer wenn SLAH1 in den Komplex eintritt, schaltet der Anionenfilter in SLAH3 von Nitrat auf Chlorid um und umgekehrt“, so Geiger.
Wo spielt dieser Schalter eine Rolle? Eine Antwort auf diese Frage konnten die spanischen Kollegen liefern. Um die Identität des Chlorid-Nitrat-Schalters in der Pflanze zu bestimmen, haben sie diesen versalzte Böden vorgespielt. Je höher die Salzbelastung war, die die Wurzeln der Versuchspflanzen verspürten, desto mehr SLAH1 wurde dem Anionen-Kanalkomplex entzogen. Hedrich: „Dabei tritt der Chlorid-leitende Komplex nach und nach in einen Nitrat-leitenden Zustand über“. Die Pflanze schafft es auf diese Weise, die Ernährung mit der lebenswichtigen Stickstoffquelle Nitrat aufrecht zu erhalten, ohne am versalzungsbedingten Anstieg der Chlorid-Konzentration Schaden zu nehmen.
Ergebnisse in „Current Biology“ publiziert
Mit ihren Untersuchungen zur Salztoleranz von Pflanzen haben die Würzburger Pflanzenwissenschaftler Dietmar Geiger und Rainer Hedrich mit Fachkollegen aus Sevilla und Riad ein völlig neuartiges Konzept zur Regulation der Anionen-Aufnahme in die Leitgewebe der Wurzel zeigen können. Die Entdeckung des regulatorischen Anionen-Kanals SLAH1 wird ihren Worten nach in Zukunft nicht zuletzt Auswirkungen auf die Optimierung der Salztoleranz von Nutzpflanzen haben.
Silent S-type anion channel subunit SLAH1 gates SLAH3 open for chloride root-to-shoot translocation, Paloma Cubero-Font, Tobias Maierhofer, Justyna Jaslan, Miguel A. Rosales, Joaquín Espartero, Pablo Díaz-Rueda, Heike M. Müller, Anna-Lena Hürter, Khaled A.S. AL-Rasheid, Irene Marten, Rainer Hedrich, José M. Colmenero-Flores, Dietmar Geiger, Current Biology, online publiziert am 7. Juli 2016, http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2016.06.045
Topics
Species
