En international forskergruppe afslører, at en lille RNA-sekvens, kaldet mikro-RNA miR2111, bevæger sig fra blade til rødder i bælgplanter, der kan danne en kvælstoffikserende symbiose med rodbakterier. Når den er ankommet til roden sikrer miR2111, at planten er modtagelig for symbiotisk infektion. Rødder udtrykker normalt et gen der forhindrer denne symbiotiske infektion af bakterier i roden, og miR2111 interfererer med aktiviteten af dette gen. Resultaterne forklarer ligeledes, hvorfor rødder uden skud ikke er i stand til at iværksætte kvælstoffikserende symbiose. Disse fund er netop offentliggjort i det internationale tidsskrift Science.

De nye resultater ændrer vores hidtidige forståelse af, hvordan planter kontrollerer symbiose, da resultaterne afslører, at mekanismer til regulering af infektion allerede er på plads, før planten kommer i kontakt med bakterier. Dette betyder, at planterne kan reagere med det samme, når de rigtige bakterier er til stede. Dette betyder til gengæld også, at værtsplanten skal være på vagt konstant for at forhindre indtrængen af skadelige bakterier.

Bønner, ærter og soja er som de øvrige medlemmer af bælgplantefamilien rig på protein, og der er derfor stærk efterspørgsel efter disse planter i landbruget og fra vegetarer. I modsætning til andre planter såsom korn, kartofler eller æbletræer har bælgplanter udviklet evnen til at være vært for kvælstoffikserende bakterier på særlige organer i deres rødder. Disse bakterier, kaldet rhizobia, giver planteværten reduceret kvælstof i form af ammoniak og modtager til gengæld rigeligt med næringsstoffer i form af mineraler og kulhydrater fra planten. Bælgplanter vokser derfor fint uden kemisk kvælstofgødning, hvilket gør dem specielt attraktivt at dyrke i områder med dårlige jordbundsforhold med lavt indhold af kvælstof.

Streng kontrol med symbiose er nødvendig

Da værtsplanterne leverer værdifulde næringsstoffer til deres bakteriepartnere, skal de udøve streng kontrol med udviklingen af symbiose. En overdosis af infektion vil uundgåeligt føre til, at de bakterielle symbionter bliver patogene, hvorved planterne vil tage skade. Flere gener er involveret i værtskontrol af symbiose i forbindelse med rodknolddannelse, en proces der kaldes symbiotisk autoregulering. Selv om rodknolddannelsen sker i rødderne, involverer autoreguleringen både værtplanternes skud og rødder. Dette er vigtigt, da overvågning af bladenes næringsstatus er en vigtig parameter hvor meget rodsymbiose hver enkelt plante har brug for.

Skud og rødder kommunikerer altså med specifikke signaler for at regulere symbiose efter plantens behov. Efter en symbiotisk  infektion dannes små peptider i rødderne, og de bevæger sig gennem vandledende vedkar op til bladene, hvor de interagerer med et specifikt receptorprotein kaldet HAR1 (Hypernodulation Aberrant Root Formation1). Hvis en plante mister denne receptor, danner den for mange infektioner og rodknolde, hvilket resulterer i dårlig planteudvikling. I roden findes der et gen kaldet TML (Too Much Love), der er påkrævet for at holde antallet afinfektioner og rodknolde på et passende niveau. Men indtil nu har det været uklart, hvordan denne skud-til-rod-kommunikation har fundet sted, og hvilke signaler i roden der er involveret i specifik regulering af TML-aktiviteten. En stor mængde TML i roden vil hæmme nye infektioner. TML-genet er aktivt selv i uinficerede planter, og ville, hvis det ikke blev kontrolleret, forhindre etablering af symbiose.

Mikro-RNA 2111 (miR2111), der er identificeret af forskergruppen, fremstilles hovedsageligt i bladene og bevæger sig gennem sivævet til rødderne, hvor det specifikt nedregulerer TML messenger og derved gør rødderne modtagelige for bakteriel adgang. Inden for to dage efter infektion stopper strømmen af miR2111, og autoreguleringen sætter ind for at afbalancere symbiose til et gavnligt niveau.

Finjusteret kommunikation mellem skud og rødder

Udover at ændre vores forståelse for symbiotisk autoregulering viser de nye resultater, at mikro-RNA'er kan fungere som specifikke mobile budbringere, der muliggør kommunikation mellem skud og rødder i planter. Dette giver et spændende indblik i, hvordan planter virker som hele enheder, hvor alle organer koordinerer reaktioner på omgivelsernes signaler. På længere sigt kan disse resultater bruges til at finjustere kommunikationen mellem skud og rødder fra bælgplanter for at optimere kvælstoffiksering under ugunstige miljøforhold.

Resultaterne er netop offentliggjort i det international tidsskrift Science:

Systemic control of legume susceptibility to rhizobial infection by a mobile microRNA

Daniela Tsikou, Zhe Yan, Dennis B. Holt, Nikolaj B. Abel, Dugald E. Reid, Lene H. Madsen, Hemal Bhasin, Moritz Sexauer, Jens Stougaard and Katharina Markmann.

DOI: 10.1126/science.aat6907

Mere information

?Professor Jens Stougaard
Institut for Molekylærbiology og Genetik, Aarhus Universitet 
stougaard@mbg.au.dk - 6020 2640

Gruppeleder Katharina Markmann
Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen, Universität Tübingen, Tyskland
k.markmann@zmbp.uni-tuebingen.de - +49 (0) 7071 29 73222