Fra Junk DNA til guldgrube: Små peptider med stor effekt i planter
Indtil for nyligt blev en stor del af planters arvemasse betegnet som Junk DNA, altså ubrugeligt fyld. Nu har det vist sig, at Junk DNA gemmer på en stor gruppe af små gener, der er afgørende for vores forståelse af hvordan planter fungerer – en sand guldgrube for forskerne.

Medicago truncatula planter dyrket ved tre forskellige niveauer af kvælstof (N). Total N fra venstre mod højre var 2 mM, 1 mM og 0.2 mM. Planterne blev dyrket uden tilstedeværelse rhizobiumbakterier, hvorfor de kvælstofmanglende planter ikke var stand til at fiksere kvælstof fra luften. (Foto: Thomas Christian de Bang.)

Medicago truncatula planter dyrket ved tre forskellige niveauer af kvælstof (N). Total N fra venstre mod højre var 2 mM, 1 mM og 0.2 mM. Planterne blev dyrket uden tilstedeværelse rhizobiumbakterier, hvorfor de kvælstofmanglende planter ikke var stand til at fiksere kvælstof fra luften. (Foto: Thomas Christian de Bang.)

 

Ny forskning har påvist, at en særlig gruppe af peptider, dvs. korte kæder af aminosyrer, spiller en vigtig rolle for planters evne til at reagere på ændringer i deres miljø, eksempelvis under tørke eller hvis et udefrakommende angreb af bakterier skal bekæmpes.

Indtil for nyligt havde man kun kendskab til et beskedent antal af disse peptider, men nu viser det sig, at planter benytter hundredevis af forskellige peptider i deres interne kommunikationssystemer.

Der er dog stadig meget forskerne endnu ikke ved om denne vigtige gruppe molekyler, men en ting er sikkert: peptider har stor effekt på planters vækst og udvikling. Og så kan de måske, ved at ændre på røddernes vækst, være med til at gøre afgrøder mere effektive til at optage næringsstoffer og vand, hvilket vil være til gavn for både landbrug og miljø.

Oversete gener

De hidtil ukendte peptider stammer fra en overset gruppe af gener i planters arvemasse (genom), der har vist sig at være afgørende for vores forståelse af hvordan planter fungerer. Den simple årsag til at de ikke er blevet opdaget tidligere, er at peptid-generne simpelthen er for små.

Dengang man begyndte at kortlægge de første genomer blev der truffet en beslutning om, at rigtige gener skulle bestå af mindst 600 nukleotider. Sådan var det! De nye peptid-gener er typisk halvt så store, altså omkring 300 nukleotider (læs mere om peptid-gener i bok).

Nu er forskerne dog begyndt at få øjnene op for, at mange af de oversete gen-sekvenser rent faktisk oversættes til korte aminosyrekæder, og at de i mange tilfælde skal klippes i endnu mindre stykker før de fungerer i planten. Derfor kalder man den nye gruppe af peptider for små peptider.

I modelplanten Arabidopsis thaliana går de seneste skøn på, at intet mindre end 1000 gener kan kode for små peptider, hvoraf funktionerne af langt størstedelen er fuldstændig ukendte (læs mere om modelplanter efter artiklen).

Junk DNA og små peptider

Fakta

Thomas Christian de Bang er i øjeblikket postdoc på Samuel Roberts Noble Foundation i USA, hvor han samarbejder med førende eksperter inden for Medicago truncatula genomics og små peptider. Han har tidligere studeret naturressourcer samt agronomi på Københavns universitet. SSPinROOTS projektet er støttet af EU under rammeprogrammet Horizon 2020 i form af en Marie Sklodowska-Curie bevillling [659251].

De første genomer blev sekventeret for snart 20 år siden, og en af de helt store overraskelser var, at kun en lille del af hele genomet rent faktisk bestod af gener (cirka 3 %). Det medvirkede til, at de store dele af genomet, der ikke kodede for gener, fik det lidet flaterende øgenavn 'Junk DNA'. Med andre ord: ubrugeligt fyld.

Men hvordan afgør man egentlig om et stykke DNA koder for et rigtigt gen eller nærmere er Junk DNA? Et af de afgørende kriterier, man dengang benyttede til at sortere skidt fra kanel, var selve størrelsen på de eventuelle gener.

Typisk blev mulige gen-sekvenser på mindre end 600 nukleotider (dvs. en proteinstørrelse på 200 aminosyrer) anset for at være ikke-kodende, hvilket svarer til at de fleste peptid-gener forblev uopdaget i første omgang. Denne antagelse har heldigvis ændret sig, og nu står planteforskerne med en sand guldgrube af nye gener, og en hel del mindre Junk DNA.

Små peptider er vigtige komponenter i planters kommunikationssystemer

Små peptider indeholder en såkaldt sekretions-sekvens, der sørger for, at peptidet bliver sendt ud af den celle, hvor det er blevet dannet (læs mere om dette efter artiklen). De nu aktive peptider bevæger sig enten hen til en nabocelle eller til celler helt andre steder i planten, hvor de binder sig til specifikke receptor-proteiner.

På baggrund af bindingen mellem peptid og receptor-protein, påvirkes cellen til at udtrykke de gener, der aktuelt er behov for. Nogle af de nyeste forskningsresultater har vist, at visse små peptider dannet i roden faktisk bliver sendt hele vejen op i bladene, og dermed fungerer som langdistance signaler.

På den måde kan de enkelte dele af rodsystemet løbende kommunikere med skuddet, og hermed berette om tingenes tilstand under jorden. Andre peptider fungerer over kortere afstande, hvilket er fordelagtigt, hvis der er akut behov for handling, som for eksempel når et insekt begynder at gnaske i et blad.

Her sørger små peptider for at sætte gang i plantens forsvar, så den hurtigt kan komme af med den ubudne gæst.

Rodvækst bestemmes af tilgængelighed af plantenæringsstoffer

Medicago truncatula planter dyrket sammen med peptidet CLE36 i forskellige koncentrationer (0-10 uM). Den primære rod
stopper med at vokse, når koncentrationen er 1 uM eller højere. (Foto: Thomas Christian de Bang)

Plantenæringsstoffer, såsom kvælstof og fosfor, er yderst vigtige for at kunne producere høje og stabile udbytter (Figur 1).

Som en naturlig følge af den stigende verdensbefolkning stiger planteproduktionen på globalt plan, og det har afledt et øget forbrug af plantenæringsstoffer. Kvælstofgødning er ressourcekrævende at fremstille, mens fosforgødning udgør en ikke fornybar ressource.

Det er derfor vigtigt at den gødning man benytter i landbruget bliver tildelt efter behov, samt at den rent faktisk optages af planten. Dette er desværre ikke altid tilfældet, og en del af forklaringen finder vi under jorden. Her er røddernes længde og forgrening af afgørende betydning for hvor effektive planter er til at optage vand og nærringsstoffer.

Planter er smarte, og deres rodvækst er i høj grad bestemt af tilgængeligheden af vand og næringsstoffer, men med hjælp fra små peptider kan de måske hjælpes til at klare det endnu bedre.

 

Peptiders rolle i rodudvikling undersøges i et nyt forskningsprojekt

Blandt de nyeste forskningsresultater inden for peptidforskning i planter er der allerede eksempler på små peptider med stor indflydelse på rødders vækst (Figur 2).

Derfor har jeg i samarbejde med amerikanske forskere startet et nyt forskningsprojekt kaldet Small Signalling Peptides to Stimulate Root Growth – A Novel Approach to Improve Nutrient Use Efficiency (SSPinROOTS), et projekt der har til formål identificere små peptider, der er vigtige for planterødders vækst under lav tilgængelighed af fosfor og kvælstof.

Vi forestiller os nemlig, at viden om sådanne små peptider kan benyttes til at stimulere rodvæksten i afgrøder på tidspunkter, hvor der er ekstra behov for næring og vand.

 

Medlemmer af ærteblomstfamilien kan selv fiksere kvælstof fra luften

Noduler på Medicago truncatula rødder. Læg mærke til den røde farve, den indikerer at nodulerne er aktive, og dermed fikserer kvælstof. Kvælstoffiksering kræver iltfrie forhold inde i nodulerne, og det skaber planten ved at danne proteinet leghæmoglobin, der kan binde ilt. Som navnet antyder, ligner leghæmoglobin det menneskelige protein hæmoglobin, der som bekendt sørger for at transportere ilt rundt i vores (røde) blod. (Foto: Raul Huertas)

I SSPinROOTS-projektet vil der hovedsagligt blive arbejdet med modelplanten Medicago truncatula (tønde-sneglebælg). Medicago truncatula er en interessant plante, fordi den er medlem af ærteblomstfamilien, hvorfra vi også kender ærter, bønner, kløver, jordnødder, kikærter, sojabønne og mange flere.

Medlemmer af ærteblomstfamilien er kendetegnet ved, at de selv kan fiksere kvælstof fra luften, hvis der ikke er tilstrækkelige mængder i jorden (læs mere om kvælstoffiksering i boksen under artiklen). Kvælstoffikseringen sker i samarbejde med en gruppe af jordbakterier, kaldet rhizobiumbakterier, der som betaling for kvælstoffet får sukker at spise og husly i særlige rodknolde kaldet noduler.

Netop evnen til at kunne fiksere kvælstof fra luften er interessant, da det mindsker behovet for tildeling af kvælstofgødning. Derfor skal SSPinROOTS-projektet ikke kun undersøge hvilke peptider der er forbundet med rodudvikling under kvælstof- og fosformangel, men også i hvilket omfang små peptider er involveret i dannelsen af de rodknolde, der huser jordbakterierne.

At små peptider er vigtige for vores forståelse af hvordan planter fungerer, er der ingen tvivl om, og det bliver spændende at se hvilke nye peptider vi finder i SSPinROOTS-projektet, når det gælder rodudvikling, dannelse af noduler og kvælstoffiksering.

Og tænk hvis planteforædlerne kan bruge denne viden til at designe planter, der er mere effektive til at optage vand og næring fra jorden. Det ville kunne begrænse forbruget af især kvælstof- og fosforgødning, hvilket vil være til fordel for både landmændene og miljøet.

 

Fra gen til aktivt peptid

En gensekvens består af nukleotiderne adenin (A), thymin (T), guanin (G) og cytosin (C) sat sammen i en bestemt rækkefølge i form af DNA. Når et gen bliver udtrykt, oversættes gensekvensen til en komplementær RNA-sekvens (pre mRNA), der efterfølgende modificeres til messengerRNA (mRNA) ved at fjerne de ikke-kodende introns. MessengerRNA’et oversættes til en kæde af aminosyrer, der tilsammen udgør et protein, eller hvis kæden er kort, et peptid (prepropetid).

Prepropeptidet har som regel en sekretionssekvens, der fjernes inden peptidet sendes ud af cellen. Herfra opdeles aktive små peptider i to grupper: 1) cystein-rige peptider der indeholder en række fælles cystein-aminosyrer (C) fordelt over hele peptidet, hvorved det aktive peptid kan foldes på en bestemt måde. 2) Modificerede peptider, der består af små sekvenser på mellem 5 og 15 fælles aminosyrer, kaldet peptiddomænet (markeret med rød i figuren).

En til flere af aminosyrerne i peptiddomænet skal modificeres for at opnå den fulde aktivitet, hvilket er illustreret med X'er i figuren. Aminosyresammensætningen af peptiddomænerne har vist sig at være afgørende for de små peptiders funktion, ligesom peptider med mange cysteiner kun er funktionelle, hvis de kan folde i en bestemt 3-dimensionel struktur. Den mindste ændring i enten cystein-sammensætningen eller i peptiddomænet kan gøre, at peptidet er komplet virkningsløst.

Modelplanter

Modelplanter er vigtige redskaber for forskerne når de skal undersøge hvordan planter fungerer. Modelplanter udvælges ikke fordi de er specielt flotte, men fordi de har en række egenskaber, der gør dem fordelagtige at arbejde med i laboratoriet. Typiske modelplanter har et lille og simpelt genom og en hurtig generationstid (tiden der går fra et frø spirer, til den nye plante selv sætter frø).

Den mest benyttede modelplante hedder Arabidopsis thaliana (gåsemad). Den er medlem af korsblomstfamilien (Brassicaceae), hvorfra vi også kender raps, rucola, sennep og alle kålarterne. Selvom forskerne ved rigtig mange ting om planter baseret på deres arbejde med Arabidopsis thaliana, er det ikke altid, at den viden kan overføres direkte til andre arter.

Derfor benytter man sig i stigende grad af andre modelplanter, til bedre at kunne forstå hvordan vores afgrøder fungerer. Hos kornarterne (f.eks. byg og hvede) benytter man planten Brachypodium distachyon og for bælgplanter (f.eks. ært, kløver og bønne) benyttes planten Medicago truncatula.

Kvælstoffiksering

Planter i ærteblomstfamillien (Fabaceae) besidder den særlige egenskab, at de kan fiksere kvælstof fra luften i samarbejde med en bestemt gruppe af jordbakterier kaldet rhizobiumbakterier. Når en bælgplante mangler kvælstof, udsender rødderne nogle bestemte signalstoffer, der tiltrækker bakterierne.

Så snart bakterierne er i nærheden starter en samtale mellem plante og bakterie baseret på kemiske molekyler, der til sidst ender med dannelsen af en lille knold på roden, hvori bakterierne bor. Disse knolde kaldes rodknolde eller noduler.

Bakterierne i rodknoldene omdanner luftens kvælstof (N2) til ammonium (NH4+), en af de former for kvælstof planten normalt optager fra jorden. Til gengæld for kvælstoffet, leverer planten sukkerstoffer og husly til bakterierne. Denne form for biologisk samarbejde kalder man også for en symbiose.   

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.