Fra Junk DNA til guldgrube: Små peptider med stor effekt i planter

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

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

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

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.