Guldlok-princippet i biologi handler også om at finde det “helt rigtige”

I eventyret “Guldlok og de tre bjørne” finder pigen Guldlok tre skåle med grød i bjørnenes hus, men kun en har den ”helt rigtige” temperatur, og på samme måde kan man inden for biologien finde de ”helt rigtige” betingelser - kaldet Guldlok-princippet. Det er netop det et international forskerhold har gjort, da de har vist, at etablering af symbiose i rødderne hos bælgplanter kræver et bestemt enzym kaldet chitinase (CHIT5), som giver den ”helt rigtige” mængde af et bestemt signal.

12.10.2018 | Lisbeth Heilesen

Figur: Koncentrationerne af Nod-faktor styres af CHIT5, og dette er vigtigt for etablering af funktionel symbiose (røde knolde) versus defekt symbiose (hvide knolde). Figur: Kasper Røjkjær Andersen, Simon Kelly og Simona Radutoiu.

Bælgplanter har udviklet evnen til at være vært for kvælstoffikserende bakterier i særlige rod-organer. Denne interaktion kræver, at planten genkender bakteriens signalmolekyler, kaldet Nod-faktorer. Bakterierne giver planteværten reduceret kvælstof i form af ammoniak, og planterne kan derfor vokse uden tilførsel af kvælstofgødning. Evnen til at optage kvælstof via symbiose i rødderne forsøger forskerne at overføre til andre typer planter.

Med de nye resultater viste forskerne, at enzymet CHIT5 i rødderne hos bælgplanter er påkrævet for hydrolyse af Nod-faktoren og etablering af funktionel symbiose. Forskernes resultater afslører en ny og afgørende rolle for bælgplanten som vært: værtsplanten styrer det ”helt rigtige” niveau af Nod-faktor-morfogenet under infektionen, for at sikre at symbiosen fungerer optimalt.

Morfogener er centrale signalmolekyler, der dikterer, hvor i vævet de forskellige celletyper skal være, og de fungerer som nøglesignaler i udviklingen i flercellede organismer. Man har længe kendt morfogeners vigtige rolle under udviklingen af embryoer. Mikrobielle molekyler har også vist sig at have morfogenvirkning i symbiotiske eukaryote værter og har på det seneste fået øget opmærksomhed pga. den øgede fokus på mikrobiom-studier. De nitrogen-fikserende rodknolde er laterale organer induceret af et mikrobielt morfogen. De nye resultater viser for første gang, at et udviklingsmæssigt skift i værtsplanten styres af, at værten modulerer det bakterielle morfogen, her den bakterielle Nod-faktor.

En dybere forståelse af Nod-faktor signalering

Nod-faktorer har været kendt i årtier som signalmolekyler produceret af jordbakterien rhizobium for at udløse og muliggøre dinitrogen-fikserende symbiose. Udover at virke som signalmolekyler er Nod-faktorer blevet betragtet som morfogener på grund af deres effekt på udviklingen af værten: knold-organogenese og infektionstråddannelse. Forskerne har fundet ud af, at modelbælgplanten Lotus japonicus modulerer niveauerne af Nod-faktor morfogen via CHIT5 for at kontrollere kolonisering af knolde på tidlige udviklingsstadier.

chit5 mutanter viser en ubalanceret signalering af symbiose, som minder om det man ser, når knoldudviklingen standser på et tidligt stadium. De nye resultater vil danne grundlag for yderligere studier inden for symbiose, der skal give en dybere forståelse af Nod-faktor signalering i den sidste fase af infektionen med direkte konsekvenser for endelig etablering af kvælstoffiksering.

Denne viden bliver særlig vigtig i forbindelse med det nuværende ambitiøse projekt, der sigter mod at overføre evnen til kvælstoffiksering til andre planter end bælgfrugter – et projekt, som – hvis det lykkes – kan få vidtrækkende betydning for fødevareproduktionen og landbruget.


Resultaterne er netop offentliggjort i det international tidsskrift journal eLife:

"A plant chitinase controls cortical infection thread progression and nitrogen-fixing symbiosis"
Anna Malolepszy*, Simon Kelly*, Kasper Kildegaard Sørensen, Euan Kevin James, Christina Kalisch, Zoltan Bozsoki, Michael Panting, Stig U Andersen, Shusei Sato, Ke Tao, Dorthe Bødker Jensen, Maria Vinther, Noor de Jong, Lene Heegaard Madsen, Yosuke Umehara, Kira Gysel, Mette U Berentsen, Michael Blaise, Knud Jørgen Jensen, Mikkel B Thygesen, Niels Sandal, Kasper Røjkjær Andersen, and Simona Radutoiu.

DOI: 10.7554/eLife.38874


Mere information

Lektor Simona Radutoiu
Institut for Molekylærbiologi og Genetik
Aarhus Universitet
radutoiu@mbg.au.dk – 8715 5498

Forskning