Forskere har opdaget, at zink spiller en afgørende rolle i kvælstoffiksering hos bælgplanter. Zink optages fra jorden gennem plantens rødder og fungerer som et signal inde i planten, der hjælper den med at tilpasse sig forskellige miljøforhold som tørke og høj temperatur. I bælgplanter regulerer zink kvælstoffikseringen, hvor planten samarbejder med jordbakterier for at omdanne kvælstof fra luften til en form, som planten kan bruge til vækst.

Et særligt protein kaldet FUN (Fixation Under Nitrate) registrerer zinkniveauerne og regulerer kvælstoffikseringen, så planten kan udnytte kvælstoffet bedre under forskellige forhold. Med andre ord hjælper zink planten med at styre fiksering af kvælstof, så den kan tilpasse sig forskellige vækstbetingelser og blive mere robust.

Den nye viden om zink kan ændre måden, vi dyrker afgrøder på, fordi planterne kan gøres mere klimarobuste. Det vil sige, at planten kan få en øget tolerance over for ekstremt vejr, hvilket ikke blot kan sikre et mere stabilt afgrødeudbytte, men også reducere behovet for kunstgødning og muliggøre dyrkning af bælgplanter på nye, tidligere uegnede arealer.

”Bælgplanter kan indgå i et samarbejde med jordbakterier, som fikserer kvælstof fra luften i rodknolde. Rodknoldene er dog følsomme over for miljømæssige påvirkninger som temperatur, tørke, oversvømmelse, jordens saltindhold og høje koncentrationer af kvælstof i jorden,” uddyber adjunkt og hovedforfatter i studiet, Jieshun Lin.

En forståelse af hvordan zink og FUN påvirker kvælstoffikseringen kan derfor gøre forskerne i stand til at udvikle nye strategier til at øge afgrødeudbyttet. Dette kan føre til reduktion af behovet for kunstgødning, som medfører både miljømæssige og økonomiske omkostninger.

Forskere fra Aarhus Universitet har, i samarbejde med Polytechnic University of Madrid og European Synchrotron Radiation Facility i Frankrig, opdaget, at bælgplanter bruger zink som et sekundært signal til at integrere miljømæssige faktorer og regulere kvælstoffikseringen mere effektivt. Det betyder, at zink fungerer som en signalvej, der hjælper planten med at styre, hvordan den forbedrer fikseringen af kvælstof i forskellige omgivelser. I en videnskabelig artikel som netop er bragt i Nature, viser forskerne, at FUN er en ny type zinksensor, som afkoder zinksignaler i rodknoldene og regulerer kvælstoffikseringen.

”Det er helt enestående at opdage zinks rolle som en sekundær signalvej i planter. Det er et vigtigt mikronæringsstof, som aldrig før er blevet betragtet som et signal. Efter at have screenet over 150.000 planter lykkedes det os at identificere zink-sensoren FUN, som kaster lys over denne fascinerende del af plantebiologien,” forklarer Jieshun Lin.

Forskningsresultaterne viser, at FUN er en vigtig transkriptionsfaktor, der styrer nedbrydningen af rodknolde, når jordens kvælstofkoncentration er høj eller miljøbetingelserne ikke er optimale:

”FUN bliver reguleret af en speciel mekanisme, der direkte overvåger mængden af zink i plantens celler. Vores studie viser, at FUN inaktiveres af zink, hvilket gør at mange hundrede FUN-proteiner går sammen og danner nogle trådformede strukturer, såkaldte protein-filamenter. Disse strukturer af FUN-proteinerne befries til den aktive form, når zinkniveauerne er lave,” forklarer professor Kasper Røjkjær Andersen.

Set fra et landbrugsmæssigt perspektiv kan brug af naturlig kvælstoffiksering være en gavnlig egenskab, fordi det øger tilgængeligheden af næringsstof for både bælgplanter, samdyrkede og fremtidige afgrøder, der er afhængige af det kvælstof, der efterlades i jorden efter bælgplanterne er dyrket.

Derfor danner forskningsresultaterne grundlag for videre forskning, der giver nye måder at håndtere vores landbrugssystemer på og som kan reducere brugen af kvælstofgødning og dens påvirkning af miljøet.

Forskerne undersøger nu mekanismerne bag hvordan zinksignaler skabes og afkodes af FUN. De ser frem til at anvende de nye opdagelser på bælgplanter som hestebønne, sojabønne og ærter.

SUPPLERENDE OPLYSNINGER

Vi bestræber os på, at alle vores artikler lever op til Danske Universiteters principper for god forskningskommunikation. På den baggrund er artiklen suppleret med følgende oplysninger:

Studietype

Eksperiment

Ekstern finansiering

This work was supported by the project Enabling Nutrient Symbioses in Agriculture (ENSA), that is funded by Bill & Melinda Gates Agricultural Innovations (INV- 57461), the Bill & Melinda Gates Foundation and the Foreign, Commonwealth and Development Office (INV-55767), the Carlsberg Foundation grant (CF21-0139) and the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (grant agreement No. 834221).

Interessekonflikt

Jieshun Lin, Peter K. Bjørk, Jens Stougaard, Kasper R. Andersen, and Dugald Reid are inventors on a filed patent that captures these discoveries.

Den videnskabelige artikel

Zinc mediates control of nitrogen fixation via transcription factor filamentation.

Jieshun Lin^1#*, Peter K. Bjørk^1#, Marie V. Kolte¹, Emil Poulsen¹, Emil Dedic¹, Taner Drace¹³, Stig U. Andersen¹, Marcin Nadzieja¹, Huijun Liu¹, Hiram Castillo-Michel², Viviana Escudero³⁴, Manuel
González-Guerrero³⁴, Thomas Boesen¹, Jan Skov Pedersen⁵, Jens Stougaard¹, Kasper R. Andersen^1*, and Dugald Reid^6,7*.

#equal contribution

*corresponding author

¹ Department of Molecular Biology and Genetics, Aarhus University, Aarhus, Denmark.
² ID21 Beamline, European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble, France. 
³ Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas (UPM-INIA/CSIC), Universidad Politécnica de Madrid, Pozuelo de Alarcón, Spain.
⁴ Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas. Universidad Politécnica de Madrid, Madrid, Spain.
⁵ Department of Chemistry and Interdisciplinary Nanoscience Center (iNANO), Aarhus University, Aarhus, Denmark.
⁶ La Trobe Institute for Sustainable Agriculture and Food (LISAF), La Trobe University, Melbourne, Victoria, Australia. 
⁷ Department of Animal, Plant and Soil Sciences, School of Agriculture Bioscience and Environment, La Trobe University, Melbourne, Victoria, Australia

Nature: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07607-6

Mere information

Assistant Professor Jieshun Lin
Department of Molecular Biology and Genetics
Aarhus University
jslin@mbg.au.dk

Professor Kasper Røjkjær Andersen
Department of Molecular Biology and Genetics
Aarhus University
kra@mbg.au.dk

Lecturer Dugald Reid
Department of Animal, Plant and Soil Sciences
La Trobe University
Dugald.Reid@latrobe.edu.au