Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Hvad får en plante til at vokse mod lys?

Få mennesker har haft større indflydelse på videnskaben end Charles Darwin. Hans forskning på Galápagos-øerne og hans teorier om evolution er velkendte, men mange er sikkert ikke klar over hans store indflydelse på planteforskningen. Nu har et internationalt forskerhold taget et stort skridt mod at forklare en central observation, der alt sammen startede med Darwin.

De skematiske tegninger er originaltegninger fra Darwin (figur: Rune Kidmose)

I sin bog fra 1880, The Power of Movement in Plants (Bevægelseskraften i planter), observerede Darwin, at planter kunne vokse i en bestemt retning som reaktion på ydre stimuli såsom lys eller tyngdekraft. Han demonstrerede, at den del af planten, der opfatter stimulus, er forskellig fra den del, der reagerer på samme stimulus. For at forklare dette foreslog Darwin, at en 'påvirkning' flyttede sig fra stedet for stimulusopfattelse til reaktionsområdet. Dawin var aldrig i stand til at identificere denne påvirkning.

I 1926 blev denne 'påvirkning' identificeret som væksthormonet auxin, der har vist sig at have en dominerende indflydelse på planters vækst og udvikling. Denne indflydelse er afhængig af den lokale koncentrationen af auxin i de forskellige dele af planten, men hvordan denne koncentrationsforskel dannes var ukendt.

I 1990'erne blev en familie af proteiner ved navn PIN-FORMED (PIN) identificeret som essentielle for denne proces. De har fået navnet fra den særlige morfologi, der opstår, hvis de ikke er funktionelle. Planten bliver en nålelignende 'pin', uden skud eller blomster.

PIN-proteinerne viste sig at transportere auxin. Deres funktion er afgørende for etableringen af auxin-gradienter i plantevæv - og det er denne gradient, der efterfølgende styrer al plantevækst og udvikling.

Bjørn Panyella Pedersens forskningsgruppe har nu leveret det første strukturelle grundlag for auxin-transport via PIN-proteinerne, og dette er kombineret med en omfattende biokemisk karakterisering med samarbejdspartnere ved Technical University of München ledet af lektor Ulrich Hammes.

Resultaterne viser endelig den molekylære mekanisme bag auxintransport. Derudover kan resultaterne også forklare, hvordan en bred vifte af almindeligt brugte herbicider – som samlet er kendt som syntetiske syntetiske auxiner og anti-auxiner – kan genkendes af PIN-proteiner.

Resultaterne har været længe undervejs

Projektet har budt på en række overraskende og heldige sammenhænge, forklarer lederen af projektet lektor Bjørn Panyella Pedersen:

"Vi startede projektet i 2016, da jeg hørte et bredt oplæg om plantefysiologi, hvor auxin blev nævnt flygtigt. Det mindede mig om mine studier i plantebiologi, da jeg var studerende, og jeg besluttede at læse op på emnet. Til min forbløffelse var der ingen biokemisk eller strukturel karakterisering, og jeg følte, at dette var et sted, hvor min gruppe kunne gøre en forskel."

Arbejdet skred dog langsomt frem i næsten et år, indtil Ulrich Hammes kontaktede Bjørn P. Pedersen og hans gruppe for at samarbejde om et helt andet projekt relateret til saltbalancen i alger.

"Vi opdagede hurtigt vores gensidige interesse for auxintransport og startede et meget frugtbart samarbejde om dette emne", uddyber Bjørn. "Derefter tog det min gruppe fire år at udvikle en biokemisk prøve, der var god nok til at levere data, og det var den koncentrerede indsats af to fremragende postdocs i laboratoriet, i første omgang Mikael Winkler og senere Kien Lam Ung. Dette projekt er et godt eksempel på en gammel grundsætning i vores forskningsfelt, "Junk in - Junk out."

Da det først lykkedes gruppen at lave en prøve af god kvalitet, var fremskridtene hurtige. Inden for et år var alle data indsamlet, og manuskriptet var skrevet og indsendt. Bedømmelsesprocessen var lige så hurtig og tog fire måneder fra indsendelsen til den endelige accept.

"At opnår disse resultater føltes næsten, som om vi havde fundet en manglende brik i puslespillet, som folk har ledt efter i over hundrede år,” siger Kien Lam Ung, en af de to forfattere der deler pladsen som førsteforfattere på den videnskabelige artikel. "Det har været en vild tur. Vi kunne ikke have gjort det uden støtte fra mange mennesker, og ikke mindst EMBION-mikroskoperne, hvor vi fik adgang ekstremt hurtigt efter en fremskyndet hastebehandlet ansøgning. Vi lærte meget af processen."

Bjørn Panyella Pedersens forskningsgruppe har specialiseret sig i at forstå proton-drevne transportprocesser på tværs af cellemembraner, og deres arbejde er ofte yderst relevant for det plantefysiologiske område.


SUPPLERENDE OPLYSNINGER, HERUNDER KONTAKTOPLYSNINGER

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:

PUNKTER

INDHOLD OG FORMÅL

Studietype

Experiment

Ekstern finansiering

Dette project har modtaget støtte fra the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (grant agreement no. 101000936) to B.P.P. U.Z.H. is funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (HA3468/6-1 and HA3468/6-3) and SFB924. D.L.S. is funded by the National Institutes of Health (R35 GM144109).

Interessekonflikt

Forskerne erklærer, at der ingen interessekonflikter er.

Link til videnskabelig artikel

  • Titel: Structures and mechanism of the plant PIN-FORMED auxin transporter
  • Forfattere: Bjørn Pedersen: Aarhus University; Kien Ung: Aarhus University; Mikael Winkler: Aarhus University; Lukas Schulz: Technical University of Munich; Martina Kolb: Technical University of Munich; Dorina Janacek: TU Munich; Emil Dedic: Aarhus University; David Stokes: New York University School of Medicine, New York; Ulrich Hammes: Technical University of Munich

Tidsskrift: Nature

DOI:   https://doi.org/10.1038/s41586-022-04883-y

Kontaktdata

Lektor Bjørn Panyella Pedersen
Institut for Molekylærbiologi og Genetik
Aarhus Universitet
bpp@mbg.au.dk – mobilnummer: 29723499