Winterhardheid

Wanneer planten te maken hebben met een periode van kou (0°C-8°C), kan dat tot een hogere vorsttolerantie leiden. Dit verschijnsel, dat bekend staat onder de naam winterhardheid, brengt significante veranderingen in de plant met zich mee, inclusief de accumulatie van suikers en antivriesproteïnen en aanpassingen in de groei en ontwikkeling. Winterhardheid is essentieel voor het overleven van planten in gematigde luchtstreken en is dan ook van oudsher onderwerp van onderzoek binnen de primaire plantenfysiologie. Celmembranen en de belangrijkste bouwstenen hiervan, de lipiden, spelen een belangrijke rol in dit proces omdat hun celstructuur bijzonder kwetsbaar is voor vorst. De integriteit van deze membranen wordt bedreigd door de vorming van ijskristallen en het verlies van vloeibaar water in de cellen, hetgeen tot een ernstige dehydratie van de plantencellen leidt. Er is echter weinig bekend over de mechanismen die de membranen van planten onder dergelijk zware omstandigheden veerkrachtiger kunnen maken.

Grotere overlevingskans

Een recente publicatie van onderzoekers van de onderzoeksgroep Plant Cell Biology van het Swammerdam Institute for Life Sciences (Universiteit van Amsterdam) in samenwerking met onderzoekers van Wageningen University, Duke University (Durham, North Carolina, VS) en Dupont Pioneer (Johnston, Iowa, VS) geeft meer inzicht in de veranderingen in membranen van chloroplasten waardoor planten beter bestand zijn tegen vorst (Arisz et al., 2018). Een verrassende conclusie is dat een enzym waarvan al tientallen jaren bekend is dat het verantwoordelijk is voor de synthese van zaadolie (Diacylglycerol Acyltransferase 1  - DGAT1) bij temperaturen onder nul actief blijkt te zijn in bladeren, waardoor een hogere  vorstolerantie ontstaat. Uit een uitgebreide analyse van de lipiden blijkt dat gedurende datzelfde proces ook suikerhoudende lipiden worden gevormd waarvan eerder al is geconstateerd dat ze een stabiliserend effect op chloroplastmembranen hebben (afbeelding 1). Planten met een bovenmatige expressie van het gen voor dit olie-enzym blijken bij vorst een grotere overlevingskans te hebben.

Van belang hierbij is dat het gen voor het eerst in kaart is gebracht tijdens een genoomscreening van Boechera stricta, een familielid van de gangbare modelsoort Arabidopsis (Brassicaceae, koolfamilie), die op grote hoogte in de Rocky Mountains groeit (afbeeldingen 2 en 3). De natuurlijke genetische variatie in de chromosomale regio correleert met de variatie in de vorsttolerantie. Bovendien blijken tolerante B. stricta-planten niet alleen een hogere expressie van het gen te vertonen, maar blijkt er ook sprake te zijn van een grotere accumulatie van olie. Uit het onderzoek blijkt dat DGAT1 een essentiële rol speelt in de vorsttolerantie van subalpiene planten.

Green Life Sciences

Omdat zich in de toekomst naar verwachting vaker extreme temperaturen zullen voordoen, wordt een geringere oogstopbrengst als gevolg van vorst een steeds groter probleem. Tegen die achtergrond is het onderzoek naar aanpassingen van planten aan omgevingsomstandigheden (zoals vorst) aangewezen als een van de onderzoeksprioriteiten van het Green Life Sciences cluster van de UvA Faculteit der Natuurwetenschappen, Wiskunde en Informatica.

De hoofdauteur van het artikel, dr. Steven Arisz, werkt momenteel als senior postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van dr. Teun Munnik van de Plant Cell Biology groep.

Publicatie gegevens

Het onderzoeksverslag en een begeleidend commentaar met een discussie over de relevantie ervan zijn gepubliceerd in het augustusnummer van Plant Physiology.

• Kim L. Johnson, Baby, It’s Cold Inside: Maintaining Membrane Integrity during Freezing, Plant Physiol. Aug 2018, 177 (4) 1350-1351. http://www.plantphysiol.org/content/177/4/1350
• Peter V. Minorsky, A Lipid Synthesis Enzyme Confers Freezing Tolerance, Plant Physiol. August 2018, Vol. 177, pp. 1344–1345. http://www.plantphysiol.org/content/177/4/1344

Onderzoeksartikel (Open Access):

Arisz SA, Heo J-Y, Koevoets I, Zhao T, van Egmond P, Meyer AJ, Zeng W, Niu X, Wang B, Mitchell-Olds T, Schranz ME, Testerink C. (2018) DIACYLGLYCEROL ACYLTRANSFERASE1 contributes to freezing tolerance. Plant Physiology 177: 1410–1424. http://www.plantphysiol.org/content/early/2018/06/18/pp.18.00503?utm_source=TrendMD&utm_medium=cpc&utm_campaign=Plant_Physiol_TrendMD_0