Wanneer de temperatuur daalt, kunnen planten niet bij elkaar kruipen. Buiten, blootgesteld aan de kou, ondergaan planten in plaats daarvan een reeks biochemische veranderingen die cellen beschermen tegen schade. Wetenschappers hebben deze veranderingen beschreven en een aantal van de genen geïdentificeerd die deze beïnvloeden, maar het is niet duidelijk hoe al deze processen samenwerken. Door het gebrek aan een globale visie is het moeilijk voor plantenveredelaars om koude-tolerante gewassen te ontwikkelen.
Een recente studie van de Universiteit van Illinois en de Technische Universiteit van Gebze in Turkije biedt een nieuwe manier van denken over koude-stress in planten, die verder gaat dan de traditionele aanpak van het onderzoeken van een enkel gen, eiwit of biochemisch pad. In plaats daarvan worden de volledige verzameling genen, metabolieten, biochemische paden en reacties, betrokken bij koude-stress, tegelijkertijd onderzocht.
"De kansen zijn klein dat veredelaars een enkel gen succesvol kunnen aanpassen en een grotere koude-tolerantie kunnen bereiken. We moeten het hele systeem begrijpen: niet alleen de genen zijn van belang, maar ook alle verwante genen die van invloed zijn op bepaalde paden en andere biologische activiteiten en betrokken zijn bij de stressreactie van een plant," zegt Gustavo Caetano-Anollés, professor aan de afdeling Crop Sciences van de Universiteit van Illinois en auteur voor het onderzoek Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. "Onze studie identificeert significante metabolieten die geassocieerd worden met belangrijke eigenschappen en is een stap voorwaarts in metabole profileringstechnieken."
Met next generation gen-sequencing is het mogelijk om lijsten te genereren van alle genen en eiwitten die op een bepaald moment binnen een organisme tot uiting komen - wat miljoenen gegevens oplevert. Tot nu toe was er nog steeds geen manier om te begrijpen wat ze allemaal waren of hoe ze op elkaar reageren.
Het onderzoeksteam onderzocht verzamelde gegevens van de Arabidopsis thaliana, een kleine plant die gewoonlijk werd bestudeerd om genetische en fysiologische processen te begrijpen, op vier tijdstippen tijdens de koude-stressreactie. Met behulp van een database die genen en genproducten annoteert, kon het team een netwerk van genen, metabolieten en paden samenstellen en alle processen identificeren die betrokken zijn bij de koude-stressreactie van de plant.
"Onze analyse onthulde stress-geassocieerde metabolieten in talloze paden waarvan we niet noodzakelijk dachten dat ze zouden reageren op koude-stress, zoals aminozuur, koolhydraten, lipiden, hormonen, energie, fotosynthese en signaalpaden. Dat laat zien hoe belangrijk het is om de stressreactie op systeemniveau te bekijken," zegt Caetano-Anollés. "We ontdekten dat koude-stress eerst een uitbarsting van energie opwekte, gevolgd door een diversificatie van koolstoffen in het aminozuur- en lipidemetabolisme."
Ibrahim Koç, onderzoeker aan de Technische Universiteit van Gebze en co-auteur van het onderzoek, voegt hieraan toe: "ethanol was met name een belangrijke metaboliet die betrokken is bij het beheer van cellulaire energie."
De ontdekking wijst op toekomstmogelijkheden voor plantenveredelaars en biologen, hoewel er meer onderzoek nodig is om te bepalen of de betrokken paden tegelijkertijd kunnen worden gewijzigd. De methodologie biedt de wetenschappers specifiek systeem biologische hulpmiddelen om metabole reacties te bestuderen die belangrijke paden bevolken, en een manier om gezamenlijk enzymen te ontwikkelen die de planten helpen beter te reageren op de uitdagingen van het milieu.
Belangrijk is dat het onderzoek een methode biedt om metabole processen in vrijwel elk organisme te bekijken. Caetano-Anollés stelt dat de methode bijvoorbeeld kan worden gebruikt om te kijken naar herbicide resistentie in onkruid of antibioticaresistentie bij zoogdieren.
"Strategieën, die gebruikmaken van complexe netwerken en de activiteiten van genen systematisch aan relevante biologische functies koppelen, bieden nu opmerkelijke kansen voor genetische manipulatie en synthetische biologie," concludeert Caetano-Anollés.
Het artikel "Metabolite-centric reporter pathway en tripartite network analysis of Arabidopsis under cold stress" is gepubliceerd in Frontiers in Bioengineering and Biotechnology [DOI: 10.3389 / fbioe.2018.00121]. Auteurs zijn onder andere Ibrahim Koç, Isa Yuksel en Gustavo Caetano-Anollés. Het werk werd ondersteund door USDA NIFA Hatch (project 1014249) en het National Center for Supercomputing Applications in Illinois.