Gatersleben, Germany
June 7, 2019
Zhongtao Jia bei der Begutachtung der Wurzelantwort seiner Arabidopsispflanzen. - Dr. Ricardo Giehl/IPK
- Plants respond to changes in nutrient availability in soils by adapting the development and growth of their roots.
- Low levels of the essential nutrient nitrogen stimulate a foraging root response in plants, leading to an increase in root length. Until recently, this was the least understood nitrogen-dependent response shaping root architecture.
- Utilising the genome-wide analysis of Arabidopsis thaliana accessions, researchers from the IPK in Gatersleben showed that the brassinosteroid signaling kinase BSK3 modulates root elongation under mild nitrogen conditions. Further, they demonstrated that low nitrogen activates brassinosteroid signaling by upregulating the transcription of the brassinosteroid co-receptor BAK1.
- The findings could contribute to the breeding of crops cultivars that are more adapted to low nitrogen conditions in soil.
- The study was published in “Nature Communication”.
Until recently, the "foraging strategy" was the least understood nitrogen-dependent root response. Scientists from the IPK in Gatersleben have now identified the hormone pathway regulating root foraging under low nitrogen conditions and a signalling component that modulates the intensity of this response. These findings open up the possibility of breeding crops with root systems enabling more efficient nitrogen uptake.
Vereinfachtes Modell zur N-abhängigen Wurzelantwort - IPK Gatersleben
As sessile organisms, plants rely on their ability to adapt the development and growth of their roots in response to changing nutrient conditions. One such response, known to be displayed by plants grown in low nitrogen conditions, is the elongation of primary and lateral roots to explore the surrounding soil. This adaption to the lack of the essential element nitrogen is of particular interest, as it reflects a “foraging strategy”, by which the root system can exploit nutrients from a larger soil volume. Until recently, this was the least understood nitrogen-dependent root response. Scientists from the IPK in Gatersleben have now identified the hormone pathway regulating root foraging under low nitrogen conditions and a signalling component that modulates the intensity of this response. These findings open up the possibility of breeding crops with root systems enabling more efficient nitrogen uptake.
The amount and form of plant-available nutrients fluctuates in soils, for example in dependence of soil moisture or microbial transformation processes of nutrients. Plants sense changes in their nutritional status and respond to these by tailoring the growth and development of their roots. These responses express in an altered degree of branching, extension, placement, and growth direction of individual parts of the root system. Nitrogen is an essential mineral element and nutrient for plants. When nitrogen availability is low, plant roots preferentially grow into nitrogen-enriched soil patches by locally expanding their lateral roots. As soon as plants run into nitrogen deficiency, they immediately induce a foraging response, in which roots elongate to explore a larger soil volume. The regulatory mechanisms underlying this nitrogen-dependent root response were previously unknown. Researchers from the IPK in Gatersleben have now discovered that a class of steroid hormones modulate root foraging under low nitrogen conditions and thereby determine the extent of this response. The findings were published in Nature Communications.
In this study, scientists from the research group “Molecular Plant Nutrition”, led by Prof. N. von Wirén, assessed the natural variation in root growth under mild nitrogen deficiency in 200 accessions of the model plant Arabidopsis thaliana. Employing genome-wide association mapping with support of the “Heterosis” group led by Prof. T. Altmann, the researchers were able to show that BSK3, a brassinosteroid signaling kinase, is modulating the extent of root elongation under low nitrogen. Further, they demonstrated that mild nitrogen deficiency activates brassinosteroid signaling by upregulating the transcript levels of the brassinosteroid co-receptor BAK1 that enhances the sensitivity of root cells to brassinosteroids.
The results reveal a previously unknown role of brassinosteroid-type plant hormones in shaping root systems in response to nutrient deficiencies. This novel insight allows a deeper understanding of the regulation behind adaptive responses of plants to changes in nitrogen availability, but also provides a perspective for practical application in agriculture.
As a “major driver of plant growth”, nitrogen is an indispensable element in agricultural plant production. However, nitrogen fertilizers must be used with care, as a surplus of nitrogen in the soil can have a detrimental impact on the environment, for example by leading to soil acidification or to eutrophication of waterbodies. Therefore, the breeding of crops, which better exploit the soil for nutrients, is highly desirable as they may require less fertilizer. The researchers of this study see their discovery of the regulatory role of BSK3 as novel opportunity to approach this matter. By exploiting naturally occurring allelic versions of BSK3 or by the generation of de-novo variants by precise genome editing, plant breeders could develop new crop cultivars with larger root systems, giving crop species the sought-after mechanisms to perform better at low nitrogen fertilizer inputs.
Original publication:
Zhongtao J. et al (2019). Natural variation of BSK3 tunes brassinosteroid signaling to regulate root foraging under low nitrogen.
DOI: 10.1038/s41467-019-10331-9
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10331-9
Auf der Suche nach Stickstoff – Wie Brassinosteroide Wurzeln bei Stickstoffmangel wachsen lassen
- Pflanzen reagieren auf veränderte Nährstoffverfügbarkeit in Böden, indem sie die Entwicklung und das Wachstum ihrer Wurzeln anpassen.
- Ein niedriger Stickstoffgehalt stimuliert eine „Foraging Reaktion“ (in etwa „Nährstoffsuche-Reaktion“), welche zu verstärktem Wurzelwachstum führt. Bis vor Kurzem war die „Foraging Reaktion“, die am wenigsten verstandene stickstoffabhängige Wurzel-Reaktion.
- Durch die genomweite Analyse verschiedener Arabidopsis thaliana Akzessionen haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben entdeckt, dass BSK3, eine Kinase im Signalweg der Brassinosteroide, einer Klasse von Steroid-artigen Pflanzenhormonen, das Wurzelwachstum unter niedrigen Stickstoffbedingungen regelt. Des Weiteren zeigten sie, dass bei einsetzendem Stickstoffmangel die Expression des Brassinosteroid - Co-Rezeptors BAK1 induziert und somit die Signalübertragung über Brassinosteroide ausgelöst wird.
- Die Erkenntnisse könnten zur Züchtung von neuen Kulturpflanzensorten führen, welche an Böden mit niedrigem Stickstoffgehalt angepasst sind.
- Die Studie wurde im Journal „Nature Communications“ veröffentlicht.
Bis vor Kurzem war die „Foraging Reaktion“ die am wenigsten verstandene Anpassung von Wurzeln an den Stickstoffgehalt im Boden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben haben nun den Hormonsignalweg, welcher „Foraging“ bei niedrigem Stickstoffgehalt reguliert, sowie ein Gen für die Anpassung der Reaktionsintensität, identifiziert. Die Erkenntnisse ermöglichen die Züchtung neuer Kulturpflanzensorten mit Wurzelsystemen, die Stickstoff effizienter aufnehmen können.
Als ortsgebundene Lebewesen können Pflanzen lediglich auf Veränderungen des Nährstoffangebotes im Boden reagieren, indem sie die Entwicklung und das Wachstum ihrer Wurzeln anpassen. Wenn Pflanzen einem geringen Stickstoffangebot ausgesetzt sind, werden ihre Haupt- und Seitenwurzeln zum Wachstum angeregt. Diese Anpassung an einen Mangel eines lebenswichtigen Nährstoffs wird als „Foraging Reaktion“ (in etwa „Nährstoffsuche-Reaktion) bezeichnet und ist für Pflanzenforscher von besonderem Interesse, da hierbei das Wurzelsystem ein größeres Bodenvolumen für die Nährstoffaufnahme erschließt und ausschöpft. Bis vor Kurzem war die „Foraging Reaktion“ die am wenigsten verstandene Anpassung von Wurzeln an den Stickstoffgehalt im Boden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben haben nun den Hormonsignalweg, welcher „Foraging“ bei niedrigem Stickstoffgehalt reguliert, sowie ein Gen für die Anpassung der Reaktionsintensität, identifiziert. Die Erkenntnisse ermöglichen die Züchtung neuer Kulturpflanzensorten mit Wurzelsystemen, die Stickstoff effizienter aufnehmen können.
Bodenbedingungen, wie die Feuchtigkeit oder mikrobielle Aktivität, führen dazu, dass sich Menge und Form der verfügbaren Nährstoffe in Böden stets verändern. Pflanzen nehmen diese Änderungen des Nährstoffgehaltes wahr und reagieren durch die Anpassung des Wachstums und der Entwicklung ihrer Wurzeln. So finden in bestimmten Teilen des Wurzelsystems Modifikationen des Verzweigungsgrads, der Anordnung und der Wachstumsrichtung, aber auch Verlängerungen von bestimmten Wurzeln statt. Einer der wichtigsten Mineral- und Nährstoffe für Pflanzen ist Stickstoff. Pflanzen, welche in Böden mit niedrigem Stickstoffgehalt wachsen, breiten ihre lateralen Wurzeln aus, um gezielt stickstoffreichere Erde aufzusuchen. Wenn eine Pflanze jedoch unter zunehmendem Stickstoffmangel wächst, wird eine „Foraging Reaktion“ ausgelöst, bei der die Wurzeln zum Wachsen angeregt werden, damit sie ein größeres Bodenvolumen erschließen können. Bisher war der zugrundeliegende regulierende Mechanismus dieser stickstoffabhängigen Anpassung von Wurzeln unbekannt. Nun haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des IPKs in Gatersleben festgestellt, dass eine Klasse von Steroidhormonen das „Foraging“ von Wurzeln bei niedrigem Stickstoffgehalt steuert und das Ausmaß dieser Anpassung kontrolliert. Die Erkenntnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht.
In der Studie untersuchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Forschungsgruppe „Molekulare Pflanzenernährung“, unter der Leitung von Prof. N. von Wirén, die natürliche Variation des Wurzellängenwachstums bei mildem Stickstoffmangel in 200 Akzessionen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Durch eine genomweite Assoziationskartierung, durchgeführt mit Unterstützung der Forschungsgruppe “Heterosis” unter der Leitung von Prof. T. Altmann, konnten die Forscher zeigen, dass BSK3, eine Kinase im Signalweg der Brassinosteroide, das Ausmaß des Wurzellängenwachstums bei geringem Stickstoffangebot reguliert. Des Weiteren demonstrierten sie, dass bei leichtem Stickstoffmangel die Sensitivität gegenüber Brassinosteroiden in Wurzelzellen erhöht wird, indem die Transkription des Brassinosteroid-Corezeptors BAK1 hochreguliert wird.
Die Ergebnisse enthüllen eine bisher unbekannte Funktion von Pflanzenhormonen aus der Gruppe der Brassinosteroide bei der Anpassung von Wurzelsystemen an Nährstoffmangel. Die neuen Erkenntnisse verbessern das Verständnis, dass sich Pflanzen an veränderte Stickstoffverfügbarkeiten anpassen. Zudem lässt sich eine praktische Anwendung dieser Erkenntnisse in der Landwirtschaft ableiten.
Als „Motor des Pflanzenwachstums“ ist Stickstoff ein unentbehrlicher Bestandteil in der landwirtschaftlichen Pflanzenproduktion. Jedoch muss Stickstoffdünger besonnen eingesetzt werden, da überschüssiger Stickstoff zu Bodenversauerung oder Eutrophierung von Gewässern führen und damit die Umwelt belasten kann. Daher wird die Züchtung von Feldfruchtarten angestrebt, welche die im Boden vorliegenden Nährstoffe effektiver ausschöpfen können und folglich weniger Dünger benötigen. Die Forscher der Studie sehen die regulierende Funktion von BSK3 als neuartige Möglichkeit, diese Problematik anzugehen. Durch die Nutzung natürlich vorkommender allelischer Varianten von BSK3 oder durch die Erzeugung neuer Varianten über die Genomeditierung könnten Pflanzenzüchter neue Kulturpflanzensorten mit längeren Wurzelsystemen entwickeln. Somit wäre es möglich, Nutzpflanzen diesen vorteilhaften Mechanismus mitzugeben.
Beschreibung zum Bild "Vereinfachtes Modell zur N-abhängigen Wurzelantwort.": Pflanzen bilden längere Wurzeln bei geringem N-Angebot, indem ein BSK3-abhängiger Signalweg für Brassinosteroide angeschaltet wird. Dabei erhöht die BSK3-L-Variante die Sensitivität für Brassinosteroide und führt zu verstärkter Wurzelelongation.
Originalpublikation:
Zhongtao J. et al (2019). Natural variation of BSK3 tunes brassinosteroid signaling to regulate root foraging under low nitrogen.
DOI: 10.1038/s41467-019-10331-9
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10331-9
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