Regulation of stress induced metabolic rearrangements in plants : from model species to crops

Abstract

In nature, plants are exposed to continuous changes in the environment. To ensure their growth and survival, plants have evolved intrincate molecular machinery that allows rapid adjustments in cellular functions in response to a variety of biotic and abiotic cues. Mechanisms that integrate stress-induced signals include cascades of protein kinases and phosphatases, which mediate and direct the signals to elicit appropriate cellular responses. Among defensive measures, changes in the contents of specialized metabolites play an important role in plant-environment interactions. Plant-derived specialized metabolites are of great value to humans, since they offer nutritional benefits and a rich resource of raw material for pharmaceutical industries. The aim of this doctoral dissertation was therefore to elucidate how environmental changes affect metabolic rearrangements in the model plant Arabidopsis thaliana, and to translate this knowledge into applications on crop species. Work on Arabidopsis thaliana identified protein phosphatase 2A as an important regulator of the activated methyl cycle and the associated glucosinolate metabolism, more specifically the formation of a specialized metabolite called 4-methoxy-indol-3-yl-methyl glucosinolate (4MO-I3M GSL). Further analysis with kale (Brassica oleracea convar. acephala) varieties revealed that formation of specific health-promoting glucosinolates, including 2-phenylethyl glucosinolate (2PE GSL) and 4-methylsulfinyl butenyl (4MSB GSL) could be significantly influenced by light conditions in brassica crops. Collectively, the findings highlighted that plant specialized metabolism is highly responsive to environmental factors, and that exposure to potentially stressful growth light conditions could be utilized to improve the nutritional value of crops.

Kasvit altistuvat luonnossa kasvaessaan alati vaihteleville kasvuympäristön muutoksille. Kasveille on kuitenkin evoluution kuluessa kehittynyt molekyylitason mekanismeja, joiden avulla ne voivat sopeuttaa aineenvaihduntaansa vallitsevien olosuhteiden mukaisesti. Erityisesti proteiinikinaasien ja -fosfataasien välittämät soluviestinnän signaalit ovat tärkeitä kasvien elintoimintoja sääteleviä tekijöitä. Erilaisten kemiallisten suojayhdisteiden kertyminen kasvin lehtiin taas on tyypillinen sopeutumisvaste, joka havaitaan ympäristöstressille altistuneissa kasveissa. Monet kasvien suojayhdisteet ovat arvokkaita myös ihmiselle, sillä ne voivat vaikuttaa syötävien kasvien ravitsemukselliseen laatuun tai toimivat raaka-aineina lääketeollisuudessa. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli kasvibiologian mallikasvina tunnettua lituruohoa (Arabidopsis thaliana) hyödyntäen selvittää miten ympäristössä tapahtuvat muutokset vaikuttavat kasvien aineenvaihduntaan. Lisäksi tutkimuksessa etsittiin keinoja soveltaa tutkimustietoa hyötykasvien viljelyyn liittyvissä sovelluksissa. Lituruoholla tehty työ osoitti, että proteiinifosfataasi 2A säätelee kasvien metyylisykliä ja siihen liittyvää glukosinolaattiyhdisteiden biosynteesiä. Lehtikaaleilla (Brassica oleracea convar. acephala) suoritetut kokeet puolestaan osoittivat, että kasvun aikana vallitsevat valo-olosuhteet muokkaavat kaalikasvien glukosinolaattikoostumusta. Erityisesti kirkkaan valon havaittiin lisäävän tiettyjen terveyttä edistävien glukosinolaattiyhdisteiden kertymistä lehtikaalien lehtiin. Tutkimus osoitti, että kasvien aineenvaihduntakoneisto reagoi herkästi vallitsevissa olosuhteissa tapahtuviin muutoksiin, ja että kasvien tarkoituksellinen altistaminen valostressille voisi toimia työkaluna lehtimäisten vihannesten terveellisyyden parantamiseksi. Tutkimustiedon hyödyntäminen voi tulevaisuudessa edesauttaa kasvien ravitsemuksellisen arvon muokkausta ja ekologisesti kestävien viljelytekniikoiden kehitystä.