Nya insikter om hur växter reglerar upptaget av organiskt kväve

I många delar av världen har användningen av oorganiska kvävegödselmedel, som innehåller ammonium och nitrat, lett till förhöjda kvävenivåer i grundvattnet. Organiska kväveföreningar som aminosyror är mindre vattenlösliga och därmed mindre benägna att läcka ut. Trots detta har forskningen om hur växter tar upp dessa föreningar och hur de påverkar växtens tillväxt länge varit eftersatt – något Laura Tünnermann ville ändra på. 

- En fördel med organiska kvävekällor som aminosyror är att de inte bara tillför kväve utan också kol, vilket ger växten extra energi, säger Laura Tünnermann. 

- Jag blev först intresserad av detta ämne under mitt masterarbete i Torgny Näsholms forskargrupp. Redan då insåg jag att ett masterprojekt inte räckte för att besvara alla mina frågor. Nu, i slutet av min doktorandtid, vet jag att inte ens det räcker – även om vi vet mycket mer nu än när jag började.

När forskarna odlade växter med glutamin som organisk kvävekälla såg de att rotsystemet blev större och att växterna utvecklade fler rothår, ett mönster som brukar uppstå vid näringsbrist. Men eftersom växterna inte saknade kväve, drog forskarna slutsatsen att det rörde sig om en glutaminspecifik reaktion.

Forskare identifierar proteiner bakom växters aminosyreupptag 

För att förstå vad som händer på molekylnivå fokuserade Laura Tünnermann på transportproteinet Lysine Histidine Transporter 1, kort LHT1. Detta protein fungerar som en port som släpper in aminosyror från jorden i rötterna hos modellväxten Arabidopsis thaliana. Forskarna ville ta reda på hur detta protein regleras i närvaro av organiska kvävekällor, och om andra proteiner påverkar dess aktivitet. 

- Vi visste nästan ingenting om hur aminosyratransportörer som LHT1 styrs, förklarar Laura Tünnermann. 

- Transportproteiner påverkas ofta av andra proteiner, som kan förändra deras aktivitet. Vi identifierade ett protein som heter Calcium Dependent Kinase 1, kort CPK1, och kunde visa att det samverkar med LHT1. Utifrån detta ville vi förstå hur deras samverkan påverkar aminosyraupptaget. 

För att studera proteinerna utan störande faktorer från växtmiljö fyttade forskarna dem till jästceller, ett enklare system som gör det lättare att se hur de två proteiner jobbar tillsammans. Parallelt gjorde de experiment på Arabidopsis-växter. Forskarna trodde först att CPK1 skulle aktivera LHT1 och därmed öka upptaget av aminosyror. Men mot slutet av sin doktorandtid insåg Laura Tünnermann att resultaten pekade i motsatt riktning. 

Överraskande roll för CPK1 i regleringen av aminosyraupptag

Det visade sig att växter som saknade ett funktionerande CPK1-protein tog upp mer aminosyror än vanliga växter. Samma mönster syntes i jästförsöken. Det tyder på att CPK1 faktiskt bromsar LHT1:s aktivitet och aminosyraupptaget, tvärtemot den ursprungliga hypotesen. 

- Vi förstår fortfarande inte helt hur CPK1 och LHT1 aktiveras, säger Laura Tünnermann. 

- Vi såg att uttrycket av LHT1 minskade när glutaminkoncentrationen ökade, medan CPK1 uttrycktes i högre grad. Det tyder på att deras nivåer påverkas av tillgången på aminosyror, även om fler faktorer sannolikt är inblandade i regleringen av denna viktiga process.

Laura Tünnermann anser att hennes forskningsresultat bidrar till en fördjupad förståelse av hur växterna tar upp organiskt kväve och hur denna näring påverkar tillväxten. Hon hoppas att resultaten kan bidra till en övergång från oorganiska gödselmedel till mer hållbara alternativ, något som i förlängningen kan minska miljöpåverkan från denna typ av gödsling. Efter att ha försvarat sin doktorsavhandling planerar hon att fortsätta med projektet ett tag till för att slutföra några återstående experiment och besvara de frågor som är fortfarande öppna.