How to predict winter

Plant & zo

The science of plants and more


How to predict winter

It’s a challenge, year after year, to stop growing on time. And, after winter, to start again. Annual plants have it easy. They germinate, grow, flower, set seeds, disperse them, and die. Simple. Easy, first one thing than the next. Being a perennial is not that easy. Every year you need to stop growing before winter arrives. Then start up again, and flower as well. How do they recognise the right moment for this all?

For annuals we now more or less know how they do it. But for perennials it is another story. They do things differently than annual plants, do more things, sometimes even multiple things at once. Take for example growing and flowering. For annuals this is regulated by the gene FT. When the FT gene is turned on, the plant grows, it develops new leaves and stems. Is the FT gene turned off? Then the plant starts flowering. Easy. 

Not in perennials. Perennials, it turned out have multiple FT genes. To understand what these FT genes do, researchers from Sweden studied the FT genes from European aspen, a tree from the poplar family. The FT genes in European aspen come in two types, FT1 and FT2. The researchers followed the genes a whole year and had a look at what happens when these genes are turned off completely.


Growth, but not flowering, is regulated by these two genes


In growing leaves FT2 is turned on. But, during shorter days the researchers noticed that there is less FT2. By the time, in autumn, the tree forms buds, FT2 is turned off. When FT2 is completely switched off, the European aspen start making buds even when the days are still very long. It turns out that FT2, just like FT from annuals, is needed for growth and prevention of starting the next step, bud formation, to early.

The researchers noticed FT1 was only turned on during the winter, in the buds. The colder, the more FT1. When, in spring, the first leaves appeared, FT1 was already turned off. Switching the FT1 gene completely off, and the researchers noted that the first leaves did not appear in spring. The buds remained close. This suggest that FT1 wakes the buds up from hibernation. How exactly? That is still a mystery.

In perennials, the daylength coupled FT2 gene is regulating growth, just like FT in annuals. In contrast in perennials FT1 is coupled to temperature, not daylength. Allowing FT1 to regulate the hibernation of buds. Growth, but not flowering, is regulated by these two genes. FT1 and FT2 help perennials, to stop on time with growing, and, when winter is over, to start growing again.

Literature

Domenique André, Alice Marcon, Keh Chien Lee, Daniela Goretti, Bo Zhang, Nicolas Delhomme, Markus Schmid, Ove Nilsson (2022) FLOWERING LOCUS T paralogs control the annual growth cycle in Populus trees. Current Biology, https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.05.023

Hoe de winter te voorspellen

Plant & zo

Plantenwetenschap en meer


Hoe de winter te voorspellen

Het is een uitdaging, elk jaar weer, het op tijd stoppen met groeien. En, na de winter, het weer beginnen. Eenjarige planten hebben het maar makkelijk. Ze ontkiemen, groeien, bloeien, maken hun zaden aan, verspreiden deze, en vervolgens gaan ze dood. Simpel. Makkelijk eerst het ene dan het andere. Een meerjarige plant zijn is het niet zo simpel. Elk jaar weer moet stoppen met groeien voor de winter. En daarna, weer groeien en ook bloeien. Hoe herkennen planten de juiste tijd voor dit alles?

Bij eenjarige planten zijn we er grotendeels uit. Bij meer jarige planten niet. Ze werken anders dan eenjarige, ze doen meer dingen, soms zelfs tegelijk. Neem bijvoorbeeld groeien en bloeien. Bij eenjarige planten reguleert het gen FT dit. Staat het gen aan dan groeit de plant, maakt het nieuwe bladeren, en stengels. Staat het gen uit, dan begint de plant met bloemen maken. Simpel.

Niet in meerjarige planten. Meerjarige planten, zo blijkt, hebben meerdere FT genen. Om te begrijpen wat deze FT genen doen, bestudeerde onderzoekers uit Zweden de FT genen van espen, een boom van de populieren familie. Espen hebben 2 typen FT genen, FT1, en FT2. De onderzoekers volgde deze het hele jaar, ook beken ze wat er gebeurde wanneer ze FT1 en FT2 uitschakelde.


Groei, maar geen bloei, reguleren deze twee genen.


FT2 staat aan in groeiende bladeren. Maar tijdens kortere dagen zagen de onderzoekers minder FT2. Op het moment dat de esp knoppen vormt staat FT2 helemaal uit. Is FT2 volledig uitgeschakeld dan vormen de espen zelfs knoppen tijdens hele lange dagen. FT2 blijkt dus net als FT van eenjarige planten nodig voor de groei, en het voorkomen dat de plant aan de volgend stap, van zijn groeicyclus, begint.

De onderzoekers zagen dat FT1 alleen aan staat tijdens de winter, in knoppen. Hoe kouder, hoe meer FT1. Op het moment dat de eerste blaadjes die in de lente tevoorschijn komen stond FT1 alweer uit. Schakelde de onderzoekers FT1 helemaal uit, dan kwamen in de lente de eerste blaadjes niet meer tevoorschijn. De knoppen bleven dicht. Dit suggereert dat FT1 de knoppen uit hun winterslaap haalt. Hoe precies? Dat is nog een raadsel.

In meerjarige planten reguleert de aan daglengte gekoppelde FT2 de groei, net als FT in eenjarige planten. Maar in meerjarige planten is FT1 gekoppeld aan de temperatuur, niet de daglengte. FT1 reguleert zo de winterslaap van de knoppen. Groei, maar geen bloei, reguleren deze twee genen. FT1 en FT2 helpen meerjarige planten, met het op tijd kunnen stoppen met groeien, en wanneer de winter over is weer beginnen met groeien.

Literatuur

Domenique André, Alice Marcon, Keh Chien Lee, Daniela Goretti, Bo Zhang, Nicolas Delhomme, Markus Schmid, Ove Nilsson (2022) FLOWERING LOCUS T paralogs control the annual growth cycle in Populus trees. Current Biology, https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.05.023

Oxygen shortage

Plant & zo

The science of plants and more


Oxygen shortage

Plants, you can find them everywhere, even on top of a mountain. Circumstances are different there, on top of the mountain, than here, below at sea level. The air, for example, is thinner. Which causes problems. Even though, plants breath CO2, oxygen is important. So important, they have a special detection system for it. But does it not sound the alarm, there on top of the mountain.

To find this out, English researchers studied an oxygen dependent process: chlorophyl production. Chlorophyl catches the light for photosynthesis. So, it is something a plant likes to have enough of, no matter the oxygen concentration. But because chlorophyl is not needed till photosynthesis starts, the last step of chlorophyl production only takes place in the light. In just germinated seedlings, that did not see any light, there is a small accumulation of pre-chlorophyl. Which is something the researchers could measure, they used it to unravel the oxygen detection system.


On top of the mountain the detection system hits the brakes later, by lower oxygen concentrations


 At sea level, plants germinating in a low oxygen environment were noticed to have less pre-chlorophyl than plants germinating in a higher oxygen environment. But a mutant, that could not regulate its chlorophyl production, did not show any difference. This suggested that not the available oxygen, but the oxygen-sensing system is pushing the brake.

Al this was studied at sea level, with plants evolved to grow at sea level. What are plants doing on top of the mountain. It turned out, that just like their relatives at sea level, they have less pre-chlorophyl in low oxygen environments. But when the researchers compared the actual amounts of pre-chlorophyl of plants growing on top of a mountain with those at sea level, they did not see a difference. The oxygen-sensing system is more sensitively fine-tuned. On top of the mountain, it hits the brake by lower oxygen concentrations.

Preventing an overabundance of pre-chlorophyl. On top of the mountain, the oxygen-sensing system does not only hit the brake slower for pre-chlorophyl production. It also does this for other oxygen using processes. For plants, on top there, the air is not as thin as we like to think.

Literature

Mohamad Abbas, Gunjan Sharma, Charlene Dambire, Julietta Marquez, Carlos Alonso-Blanco, Karina Proaño & Michael J. Holdsworth (2022) An oxygen-sensing mechanism for angiosperm adaptation to altitude. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-022-04740-y

Zuurstoftekort

Plant & zo

Plantenwetenschap en meer


Zuurstoftekort

Planten, overal kom je ze tegen, zelfs boven op een berg. En daar, boven op die berg zijn de omstandigheden anders dan hierbeneden op zeeniveau. De lucht, bijvoorbeeld, is ijler. Dit geeft een probleem. Planten ademen dan wel CO2, maar ook zuurstof is belangrijk voor ze. Zo belangrijk zelf dat ze er een speciaal waarnemingssysteem voor hebben. Waarom slaat die geen alarm, daarboven op die berg?

Om dit uit te zoeken bestudeerde Engelse onderzoekers een zuurstof afhankelijk proces: chlorofyl productie. Chlorofyl vangt het licht op dat nodig is voor fotosynthese. Iets waarvan de plant genoeg beschikbaar wil hebben, ongeacht de hoeveelheid zuurstof. Maar omdat chlorofyl pas nodig is wanneer de fotosynthese begint, vindt de laatste stap van chlorofyl productie alleen in het licht plaats. Daarom is er in ontkiemende zaailingen, die nog geen licht hebben gezien een kleine ophoping van pre-chlorofyl. Iets wat de onderzoekers konden meten, ze gebruikte het om het zuurstof waarnemingssysteem te ontrafelen.


Boven op de berg trapt het waarschuwingssysteem later op de rem, bij lagere zuurstofconcentraties


Op zeeniveau bleken de in lagere zuurstofconcentratie ontkiemende planten minder pre-chlorofyl te hebben dan planten die ontkiemen in hogere zuurstofconcentraties. Dit was niet het geval in een mutant die de chlorofyl productie niet kon reguleren. Dit suggereert dat niet de beschikbare hoeveelheid zuurstof, maar het zuurstof-waarnemingssysteem trapt op de rem.

Maar dit was allemaal onderzocht op zeeniveau, met planten die gewend zijn om op zeeniveau te groeien. Wat doen planten van boven op de berg? Ook die hebben minder pre-chlorofyl in lagere zuurstofconcentraties. Maar vergelijk je de eigenlijke hoeveelheid pre-chlorofyl in planten groeiend op een berg met dat van planten groeiend op zeeniveau dan is er geen verschil. Het zuurstof-waarnemingssysteem staat scherper afgesteld. Boven op de berg trapt het systeem pas bij lagere zuurstofconcentraties op de rem.

Zo voorkomt het te veel aan pre-chlorofyl. Boven op de berg trapt het zuurstof-waarnemingssysteem niet alleen voor pre-chlorofyl productie later op de rem. Ook bij andere processen waarbij een zuurstof een rol speelt trapt dit systeem minder snel op de rem. De lucht daarboven is voor deze planten dus niet zo ijl als wij denken.

Literatuur

Mohamad Abbas, Gunjan Sharma, Charlene Dambire, Julietta Marquez, Carlos Alonso-Blanco, Karina Proaño & Michael J. Holdsworth (2022) An oxygen-sensing mechanism for angiosperm adaptation to altitude. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-022-04740-y

%d bloggers like this: