De kläms och bryts av på grund av väderrelaterade händelser och mänsklig aktivitet. Larver tuggar på löven, och de drabbas av sjukdomar. Ja, växter utsätts för många prövningar men är också mycket tåliga, med en imponerande förmåga att upptäcka och reparera skador. I labbet på SLU i Uppsala studerar Simon Stael de molekylära strategier som ligger bakom växters stress- och skaderespons.

– Växter sitter ju fast i marken, de kan inte springa iväg och skydda sig. Det gör att de måste vara väldigt uthålliga och medvetna om förändringar i sin miljö och hantera det som kommer till dem. Bara sekunder efter en växt har skadats är den medveten om att något har hänt och reagerar på det. Men man får vara försiktig och inte jämföra växternas respons med mänskliga känslor och upplevelser av exempelvis smärta, säger han.

Som Wallenberg Academy Fellow undersöker Simon Stael en grupp proteiner, enzymer, som kallas proteaser. Deras uppgift är att klyva andra proteiner och på så vis ändra dess funktion. Proteaser finns i alla levande organismer, även hos djur och människor. Simon Stael har visat att proteasen metakaspas har en viktig roll i växternas skaderespons, fynd som forskargruppen nu bygger vidare på.

Potentiellt kan forskningen bidra till bättre växtskydd för hållbara jord- och skogsbruk och ökad produktion av grödor, säger han.

”Bara sekunder efter en växt har skadats är den medveten om att något har hänt och reagerar på det.”

– Jag har alltid tankar i bakhuvudet på hur min forskning kan användas och komma till samhällsnytta. En mer tillämpad del i mitt arbete är att jag och min forskargrupp försöker använda kunskapen om vad som sker när växter skadas för att skapa bekämpningsmedel som är mer selektiva mot skadedjur i jordbruket, och inte är giftiga för nyttiga insekter. Det vore fantastiskt om vi om fem år har tagit fram en första generation av de modifierade pesticiderna. 

Immunliknande respons

Simon Stael studerade biologi och bioteknik vid universitet i Gent i hemlandet Belgien. Startskottet för forskarkarriären var masterarbetet vid Åbo universitet i Finland inom växtbiologi och växters stressacklimatisering. Hösten 2022 lämnade Simon Stael VIB-UGent Center for Plant Systems Biology i Belgien för SLU där han nu har en egen forskargrupp. 

Växter har inget immunsystem eller blod som kan koagulera, förklarar han. Skaderesponsen är istället uppbyggd av signalmekanismer på molekylnivå som verkar både lokalt i skadade celler och mer perifert i andra delar av växten. 

I tidigare studier av metakaspaser, en grupp proteaser som styr grundläggande biologiska processer, fick de fram intressanta resultat. Studierna gjordes i växten backtrav, ett vanligt ogräs som finns runt om i världen. Den används som modellart på grund av dess enkla genetik och mindre arvsmassa.

– Vi såg i backtrav att ett protein som heter PROPEP klyvs och frigör små svansar av proteiner, små peptider som kan trigga en immunliknande respons och varna oskadade celler i närliggande vävnader. Vi lyckades också förstå hur dessa peptider genererades och det var vetenskapligt ett stort genombrott på området som banade väg för det arbete jag gör idag. 

Han insåg att det saknas mycket kunskap om de proteaser och mekanismer som aktiveras vid skador i växter.

– Nu vet vi att metakaspas aktiveras vid skada, och vi vill förstå mer vad de gör vid skaderesponsen. Samtidigt har vi hittat proteinsubstrat som vi vet inte har kluvits av metakaspas. Vi vill ta reda på vilka proteaser det är som har kluvit dem, och deras betydelse för växten när de reagerar på en skada.

Skapar cellskador med laser

I labbet odlar Simon Stael och forskargruppen växterna i små petriskålar eller i jord. Sedan mosar eller pressar de ihop dem för att få specifika skador. 

– Ett annat mer kraftfullt sätt vi åstadkommer skada på är genom att mala växterna tillsammans med flytande kväve. Vi använder också laser för att få minimala skador i cellerna. Med mikroskopi kan vi sedan studera vad som händer i cellen och cellerna runtomkring, för att förstå snabba responsmekanismer vid skada. Vi tittar på mekanismer som aktiveras från sekunder och minuter och upp till en timme efter skadan. 

Med proteomik, avancerade metoder för att studera proteiner, kan Simon Stael ytterligare utforska växters vävnader före och efter skadan och kartlägga vilka proteiner som klyvs. Det arbetet görs i samarbete med SciLifeLab i Stockholm. Utöver backtrav kommer de undersöka levermossa, en encellig grönalg, vete, gran och poppel som jämförelse. De mest intressanta proteaserna studeras sedan mer i detalj.

– Vi hoppas kunna visa hur olika proteaser är viktiga på många olika nivåer och steg i växtens skaderesponsprocess och överlevnad. Det grundläggande arbete vi gör inom växtbiologi kan längre fram komma till nytta i tillämpningar och inom andra forskningsfält. Även när det gäller djur och människor saknas mycket kunskap om proteasernas roll och funktion, säger Simon Stael. 

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström