Nyupptäckt länk mellan cellväggar och hormoner regelerar differentiell tillväxt hos växter

Ordet vägg leder tanken till styva strukturer som husväggar eller medeltida stadsmurar som fungerade som skydd mot inkräktare. Växternas cellväggar har liknande försvarsfunktioner, men de är inte lika fasta som stadsmurar. Tvärtom är de väldigt flexibla och föränderliga och spelar en avgörande roll under växternas tillväxt och utveckling.

– Cellväggen är ett mycket komplext nätverk av proteiner och flera långkedjiga kolhydratmolekyler som cellulosa, hemicellulosa och pektin, förklarar Rishikesh Bhalerao, professor vid Sveriges lantbruksuniversitet och gruppledare vid Umeå Plant Science Centre.

– Dessa nyckelkomponenter har varit kända under lång tid, men vi vet fortfarande ganska lite om hur de samverkar med varandra och hur detta samspel bidrar till regleringen av växternas tillväxt och utveckling.

En defekt dimerisering av RG-II pektin ger svagare cellväggar

Rishikesh Bhalerao och hans kollegor från Storbritannien, Belgien, Schweiz, Kina och Kanada fokuserade på cellväggskomponenten RG-II-pektin. Detta är ett mycket modifierat pektin vars roll i cellväggen har förblivit oklar. RG-II-pektin förekommer vanligtvis som dimerer, vilket innebär molekylerna är bundna till varandra två och två. För att förstå vilken roll de har i växters utveckling använde forskarna en mutant av växten backtrav där denna dimerisering inte fungerade, vilket ger växten svagare cellväggar.

– Vi upptäckte för nästan tio år sedan att brist på RG-II-pektin orsakar en särskild defekt i utvecklingen av den apikala kroken, en struktur som bildas hos groddar som växer upp mot markytan – grodden är krokformad med spetsen riktad nedåt, och rätar upp sig först när den når ljuset vid markytan, fortsätter Rishikesh Bhalerao.

– Vi har tidigare visat att vissa andra pektinmodifieringar påverkar hur växthormonet auxin fördelas under utvecklingen av den apikala kroken. Nu kunde vi visa att det också finns en koppling mellan RG-II-pektin, auxin och ett annat hormon som kallas brassinosteroid.

Växthormonet auxin främjar celltillväxt och cellförlängning hos växter. Under bildningen av den apikala kroken ansamlas auxin på ena sidan av plantan. Cellerna på denna sida växer snabbare än de på motsatta sidan, vilket i slutändan leder till att plantan böjs i motsatt håll. Forskarna visade att dimeriseringen av RG-II-pektin också påverkar regleringen av auxinets fördelning i växten, men att den verkar mer centralt genom att påverka aktiviteten hos flera gener i auxintransportmaskineriet.

Cellväggskomponenter och hormoner samverkar på ett dynamiskt sätt

Något oväntat fann forskarna också en koppling mellan RG-II-pektindimerisering och brassinosteroider – en annan grupp av växthormoner som medverkar i regleringen av celldelning, cellexpansion och celldifferentiering. Den defekta dimeriseringen av RG-II-pektin förhindrade bildningen av brassinosteroider, vilket i sin tur påverkade RG-II-pektin, vilket visar att hormoner återkopplar till dimeriseringen av RG-II-pektin. 

– Cellväggskomponenter och hormoner samspelar med varandra på ett dynamiskt sätt och reglerar på så sätt tillväxt och utveckling, säger Rishikesh Bhalerao.

– Det har tagit lång tid och krävt stora ansträngningar, särskilt av min tidigare postdoktor Pawan Kumar Jewaria, som nu är gruppledare vid National Institute of Plant Genome Research i Indien, för att nå hit.

Rishikesh Bhalerao och hans kollegor är övertygade om att de nya regleringsmekanismer som de har upptäckt inte bara är relevanta för apikal krokbildning utan även för andra processer som inbegriper differentierad tillväxt, till exempel riktad tillväxt mot ljus. De hoppas nu att andra forskare kan bygga vidare på dessa resultat för att förstå hur cellväggsmekaniken och dess samspel med växthormoner kan reglera växters arkitektur.