Zurich, Switzerland
November 23, 2011
Poor calcium distribution in agricultural crops causes substantial loss of income every year. Now a Korean-Swiss research team under the co-leadership of plant physiologists at the University of Zurich identified a protein that regulates calcium transport in the plant root and up to the shoot. For plant breeding, the specific transport protein provides a first step toward correcting deficiency symptoms in food plants.
Blossom end rot on tomatoes and cucumbers, spotty apples – these unpleasant blemishes on fruits and vegetables not only compromises the flavor but also causes significant harvest losses every year. The characteristic blotches and spotting can be traced back to insufficient calcium uptake or faulty calcium transport within the plant. Consequently, the damage can occur even if the soil provides sufficient calcium. A team under the leadership of scientists from the University of Zurich and Pohang University of Science and Technology, Korea, has for the first time identified a protein which is responsible for the calcium transport from the root to the shoot. "Without this transport protein, plants exhibit stunted growth," explains Enrico Martinoia, Professor for Molecular Plant Physiology at the University of Zurich.
Calcium uptake through the root epidermis
Calcium provides stable cell walls for plants and transmits signals within the cells. Calcium concentration varies within the plant depending on area, which requires complex regulation and transport mechanisms. How and from which tissue calcium ions are taken up by the roots and transported to the shoot of the plant was largely unknown before. In order to settle these questions, the scientists examined the cultivated plant Brassica Juncea, commonly known as brown or Indian mustard, and the model plant Arabidopsis thaliana, or thale cress. The researchers identified a specific transport protein which advances calcium ions from the root into the shoot. In their article recently published in the Proceedings of the National Academy of Sciences, they also show that the calcium uptake occurs via the root epidermis and not through the endoderm as earlier presumed. The identification of the transport protein for calcium is a first step in eliminating the formidable deficiency symptoms in food plants.
Literature:
Wong-Yong Song, Kwan-Sam Choi, De Angeli Alexis, Enrico Martinoia and Youngsook Lee. Brassica juncea plant cadmium resistance 1 protein (PCR1) facilitates the radial transport of calcium in the root. PNAS. October 14, 2011. doi: 10.1073/pnas.1104905108
Photo: Blossom end rot on tomatoes (picture: Agroscope)
Blütenendfäule: Transportprotein identifiziert
Eine mangelhafte Calciumverteilung in Nutz- und Agrarpflanzen verursacht jährlich grosse Ertragsausfälle. Nun hat ein koreanisch-schweizerisches Forschungsteam unter der Co-Leitung von Pflanzenphysiologen der Universität Zürich ein Protein identifiziert, das den Calciumtransport von der Pflanzen-wurzel bis zum Spross regelt. Das spezifische Transportprotein liefert für die Züchtung einen ersten Ansatz, um Mangelerscheinungen bei Nahrungspflanzen zu beheben.
Blütenendfäule bei Tomaten und Gurken, stippige Äpfel – die unschönen Flecken auf Früchten und Gemüsen beeinträchtigen nicht nur den Geschmack, sondern verursachen jährlich grosse Ernteeinbussen. Die charakteristischen Flecken und Schadstellen sind auf ungenügende Calciumaufnahme bzw. gestörten Calcium-transport innerhalb der Pflanze zurückzuführen. Die Schäden treten folglich auch dann auf, wenn der Boden genügend Calcium bereitstellt. Ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Universität Zürich und Pohang University of Science and Technology (Korea) hat erstmals ein Protein identifiziert, das für den Calciumtransport von der Wurzel zum Spross verantwortlich ist. «Pflanzen zeigen ohne dieses Transportprotein ein verkümmertes Wachstum», erklärt Enrico Martinoia, Professor für molekulare Pflanzenbiologie an der Universität Zürich.
Calciumaufnahme über Wurzelepidermis
Calcium sorgt bei Pflanzen für stabile Zellwände und übermittelt Signale innerhalb der Zellen. Die Calciumkonzentration variiert innerhalb der Pflanze je nach Bereich, was komplexe Regel- und Transportmechanismen erfordert. Wie und von welchem Gewebe Calcium-Ionen von den Wurzeln aufgenommen und in den Spross der Pflanze transportiert werden, war bis anhin weitgehend unbekannt. Um diese Fragen zu klären, untersuchten die Wissenschaftler die Kulturpflanze «Brassica Juncea», im Volksmund als brauner oder indischer Senf bekannt, und die Modellpflanze «Arabidopsis thaliana», Ackerschmalwand. Die Forscher identifizierten ein spezifisches Transportprotein, das Calcium-Ionen von der Wurzel in den Pflanzen-spross transportiert. Weiter zeigen sie in ihrer kürzlich in «Proceedings of the National Academy of Sciences» publizierten Arbeit, dass die Calciumaufnahme über die Wurzelepidermis erfolgt und nicht wie bisher vermutet über das Endoderm. Die Identifikation des Transportproteins für Calcium ist ein erster Ansatz, um die gefürchteten Mangelerscheinungen bei Nahrungspflanzen zu eliminieren.
Literatur:
Wong-Yong Song, Kwan-Sam Choi, De Angeli Alexis, Enrico Martinoia and Youngsook Lee. Brassica juncea plant cadmium resistance 1 protein (PCR1) facilitates the radial transport of calcium in the root. PNAS. October 14, 2011. doi: 10.1073/pnas.1104905108
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