Integrative physiological and transcriptomic analyses reveal divergent chilling tolerance mechanisms in contrasting zoysiagrass cultivars and protective effects of exogenous chitosan

Gazons die groen blijven tijdens de herfst en het vroege winterseizoen zijn een zeldzame luxe in veel delen van de wereld. Voor warmteseizoen-grassen, die gedijen in de hitte maar moeite hebben wanneer de lucht fris wordt, is de komst van koud weer een biologische crisis. Wanneer de temperaturen dalen naar een bereik dat koud is maar niet vriest, worden deze planten geconfronteerd met een stille dreiging: hun cellen beginnen te lekken, hun interne chemie raakt verstoord en hun vermogen om voedsel te maken uit zonlicht verslechtert. Deze staat, bekend als koude-stress, dwingt het gras tot een voortijdige rustperiode, waardoor levendig groen gazon verandert in bruine, levenloze plekken. Hoewel sommige grassoorten zijn geëvolueerd om beter met deze kou om te gaan dan andere, hebben wetenschappers lang geprobeerd te begrijpen hoe ze dat precies doen, of hoe ze de zwakkere variëteiten kunnen helpen overleven.

In een recente studie probeerden onderzoekers van de Nanjing Agricultural University in China dit puzzelstuk op te lossen door twee verschillende soorten zoysiagras te vergelijken, een populair gazongras dat wordt gebruikt op golfbanen en sportvelden. Ze zetten een taai, koudetolerant ras genaamd 'Nannong NT1' tegenover een gevoelig ras genaamd 'Nannong LG'. Het doel was niet alleen om te zien welke het overleefde, maar om in de planten te kijken om de verschillende strategieën te begrijpen die ze gebruiken wanneer de temperatuur daalt. Het team testte ook een eenvoudige, natuurlijke stof genaamd chitosan, die wordt verkregen uit de schilden van krabben en garnalen, om te zien of het als een schild voor het gevoelige gras kon dienen en het kon helpen de kou te weerstaan die het normaal gesproken doodt.

Het experiment begon met beide grassoorten die groeiden in een gecontroleerde omgeving. De onderzoekers onderwierpen hen aan een koude-stress van 4 graden Celsius overdag en 2 graden Celsius 's nachts, een temperatuur die oncomfortabel is voor deze warmteseizoen-planten maar nog niet vriest. Na zes weken was het verschil tussen de twee groot. Het gevoelige 'Nannong LG' leed ernstige schade, waarbij de bladeren bruin werden en afstierven, terwijl het taaie 'Nannong NT1' grotendeels groen en gezond bleef. Toen de planten terug werden verplaatst naar warme omstandigheden om te zien of ze konden herstellen, had de gevoelige variëteit een zeer lage overlevingskans, terwijl de taaie variëteit met gemak herstelde.

Door dieper te graven, maten de onderzoekers de interne gezondheid van de planten. Ze ontdekten dat het gevoelige gras vitale vloeistoffen uit zijn cellen lekte, een teken dat de celwanden door de kou waren beschadigd. Het cumuleerde ook hoge niveaus van schadelijke moleculen genaamd reactieve zuurstofsoorten, die lijken op roest die zich binnen de plant vormt wanneer deze onder stress staat. In contrast hiermee hield het taaie gras zijn celwanden intact en slaagde het erin deze schadelijke moleculen onder controle te houden. Interessant genoeg probeerde het gevoelige gras terug te vechten door grote hoeveelheden beschermende suikers en aminozuren te produceren, maar deze inspanning was niet genoeg om het te redden. Het taaie gras leek echter een andere strategie te hebben: het paste op een stille manier zijn interne metabolisme aan om zich voor te bereiden op de kou zonder in paniek te raken.

Om het "waarom" achter deze fysieke verschillen te begrijpen, keken de wetenschappers naar de genetische activiteit van de planten. Ze lazen de instructies binnen de cellen om te zien welke genen aan of uit stonden. Ze ontdekten dat de twee grassen compleet verschillende speelboeken gebruikten. Het taaie gras activeerde genen gerelateerd aan de verwerking van vetten en suikers, wat waarschijnlijk hielp om de celmembranen te versterken en stabiliteit te behouden. Tegelijkertijd vertraagde het de fotosynthese, het proces van het maken van voedsel uit zonlicht, om zichzelf in de kou niet te beschadigen. Het gevoelige gras probeerde daarentegen de productie van kleurrijke pigmenten en antioxidanten te stimuleren, maar het faalde in het reguleren van zijn basismetabole processen, wat leidde tot een breuk in het vermogen om te functioneren.

De studie richtte zich vervolgens op een potentiële oplossing voor het gevoelige gras. De onderzoekers brachten een spray van chitosan aan op de 'Nannong LG'-planten voordat ze aan de kou werden blootgesteld. Deze eenvoudige behandeling maakte een dramatisch verschil. De bespoten planten behielden veel meer water, behielden hun groene kleur en leden veel minder celbeschadiging dan de onbespoten planten. Na de koudeperiode hadden de met chitosan behandelde planten een bijna vijftig procent hogere overlevingskans dan de onbehandelde planten. De stof leek te fungeren als een stabilisator, die de planten hielp hun structuur te behouden en de opbouw van schadelijke moleculen te verminderen.

Toen de wetenschappers naar de genen van de met chitosan behandelde planten keken, ontdekten ze dat de spray de genetische code van de plant niet volledig veranderde, maar wel een paar cruciale schakelaars fijn afstelde. Het verzachtte de stressrespons van de plant, waardoor het voorkomen werd dat de plant overreageerde op de kou. Specifiek paste het de activiteit van genen aan die controleren hoe de plant stress waarneemt en hoe de plant opgeslagen energie afbreekt. Dit suggereert dat chitosan werkt door de plant een zachte duw te geven om in balans te blijven, in plaats van de plant te dwingen tot een massale genetische herstructurering.

De bevindingen bieden een helder beeld van hoe verschillende grassen met de kou omgaan. De taaie variëteit overleeft door proactief de interne chemie aan te passen en de celwanden te beschermen, terwijl de gevoelige variëteit worstelt om het juiste evenwicht te vinden en uiteindelijk beschadigd raakt. De studie laat ook zien dat exogene chitosan een krachtig hulpmiddel kan zijn voor tuiniers en gazonbeheerders. Door deze natuurlijke stof toe te passen, is het mogelijk om de koudebestendigheid van grassoorten die anders zouden sterven aanzienlijk te vergroten, waardoor het groene seizoen wordt verlengd en gazons in koelere klimaten worden beschermd. Het onderzoek benadrukt dat hoewel sommige planten van nature gebouwd zijn voor de kou, de wetenschap een manier kan bieden om de rest van hen te helpen overleven.