Arrested development

Plant & zo

The science of plants and more


Arrested development

Plants procreate through a double fertilization. They don’t get twins, only one of the two sperm cells fertilizes an egg cell. The second sperm cell is needed for the fertilization of the central cell. To form the endosperm, tissue that supports the developing embryo in its growth and germination. Giving the endosperm an important task. But sometimes it fails to execute that task. Like for example when it is formed from two species with a different genome number. Then embryo development arrests. Researchers from Sweden and Germany found out why.

After fertilization endosperm develops through first undergoing lots of nuclear divisions without the following cell division. Only after getting the desired number of nuclei, the cellularization will start. But not if the parents of the endosperm do not have the same number of genomes. With as result that also embryo development stops.


With a little ABA researchers can help the endosperm


To study what precisely causes the endosperm not to cellularize, the researchers analysed which genes were expressed in the endosperm. They discovered that especially genes for making, processing, and reaction to the drought stress manager behaved differently. With as result; there was more ABA present in the endosperm when its parents did not have an equal number of genomes.

Now the big question was why there was more ABA. Was it the cause that the cellularization did not start, or was the endosperm trying to safe embryo development? When the researchers inhibited the breakdown of ABA, then they saw more seeds with parents that do not have an equal number of genomes survive. But when they switched off the synthesis of ABA, then less seeds with parents that do not have an equal number of genomes survived. The confirmation that ABA was needed to survive came when the researchers grew the seeds parents that do not have an equal number of genomes on growth medium. With extra ABA in the medium more seeds survived.

Endosperm is doing all it can to safe embryo development. With a little extra ABA researchers can help seeds with parents that do not have an equal number of genomes to develop correctly. Now this is known it means in practice; that we can support the seeds out crosses from plants that do not have an equal number of genomes, and hopefully develop new plants.

Literature

Wenjia Xu, Hikaru Sato, Heinrich Bente, Juan Santos-González, Claudia Köhler (2022) Endosperm cellularization failure induces a dehydration stress response leading to embryo arrest. The Plant Cell, koac337, https://doi.org/10.1093/plcell/koac337

Gestrande ontwikkeling

Plant & zo

Plantenwetenschap en meer


Gestrande ontwikkeling

Planten planten zich voort via een dubbele bevruchting. Ze krijgen geen tweelingzaadjes, maar een van de twee spermacellen bevrucht een eicel. De tweede spermacel is nodig voor de bevruchting van de centrale cel. Om zo het endosperm te vormen, weefsel dat het ontwikkelende embryo ondersteund in z’n groei en ontkieming. Het endosperm heeft dus een belangrijke functie. Maar soms lukt het niet om deze goed uit te voeren. Zoals na een kruising tussen twee soorten met een verschillend aantal genomen. Dan strandt de ontwikkeling van het embryo. Onderzoekers uit Zweden en Duitsland hebben nu ontdekt waarom.

Na de bevruchting ontwikkelt endosperm zich door eerst zo veel mogelijk de nucleus te vermenigvuldigen zonder dat er een celdeling op volgt. Pas nadat er de gewenste aantallen nuclei zijn komt de celvorming op gang. Maar dit gebeurt niet wanneer de ouders van het endosperm geen gelijke hoeveelheid genomen hadden. Met als gevolg dat ook de ontwikkeling van het embryo stopt.


Met een beetje ABA kunnen onderzoekers het endosperm helpen


Om te bestuderen wat er nu precies voor zorgt dat in het endosperm geen celvorming plaatsvindt keken de onderzoekers naar welke genen er opdat moment aan staan in het endosperm. Zo ontdekte de onderzoekers dat de genen voor het maken, verwerken en reageren op de droogte stress manager ABA zich anders gedroegen. Dit had als gevolg dat er meer ABA aanwezig was in het endosperm wanneer de ouders geen gelijk aantal genomen heeft.

De grote vraag was nu waarom was er meer ABA aanwezig? Was het de oorzaak dat de celdeling niet op gang komt, of een poging van het endosperm om te redden wat er te redden valt? Om deze te beantwoorde schakelde de onderzoekers de afbraak van ABA uit. Ze zagen dat er meer zaden van ouders met een ongelijk aantal genomen het overleefde. Maar schakelde de onderzoekers de synthese van ABA uit, dan overleefde er juist minder. Dat ABA juist nodig is om te overleven bevestigde de onderzoekers door zaden van ouders met een ongelijk aantal genomen op groeimedium te groeien. Met extra ABA in het medium overleefde er meer zaden.

Het endosperm probeert dus te redden wat er te redden valt. Met een beetje extra ABA kunnen onderzoekers het helpen om zaden van ouders met een ongelijk aantal genomen goed te laten ontwikkelen. Nu dit betekent is kunnen we zaden uit kruisingen van planten met een ongelijk aantal genomen ondersteunen, en hopelijk zo nieuwe planten ontwikkelen.

Literatuur

Wenjia Xu, Hikaru Sato, Heinrich Bente, Juan Santos-González, Claudia Köhler (2022) Endosperm cellularization failure induces a dehydration stress response leading to embryo arrest. The Plant Cell, koac337, https://doi.org/10.1093/plcell/koac337

Keeping the balance when submerged

Plant & zo

The science of plants and more


Keeping the balance when submerged

Plants, just like animals and humans need oxygen to survive. Normally this is no problem. As a by-product of photosynthesis, oxygen is freely available. But by flooding a plant is under water, no photosynthesis can take place resulting in a lack of oxygen. To survive such a submergence, plants switch to oxygen-free use of energy. Less efficient. Plants are therefore keeping an eye out for their energy reserves. Now a group of European researchers found out how plants use this information to regulate the speed of oxygen-free energy use.

The important regulators of the switch from an aerobic to an anaerobic metabolism are ERF-VIIs. This are gene on/off switches. When there is lots of oxygen, then ERF-VIIs are turned off. ERF-VIIs are only allowed by absence of oxygen, like during a flood, to do their job.

To investigate how ERF-VII react to a shortage of energy, the researchers starved plants before submerging them. This they did by placing them for longer than normal in the dark. The researchers noticed that in non-starved, submerged plants ERF-VIIs do their job, switching on genes for the anaerobic metabolism. But this did happen less in starved plants.


TOR is need to let ERF-VIIs know how much energy there is


The question was why. To answer this, the researchers focused on the energy sensor TOR. They analysed TORs activity in submerged starved and non-starved plants. In starved plants TOR appeared not to do much. In contrast, in non-starved plants TOR was very active. But this was short lived, the longer the submergence, the less active TOR got.

To make sure that TOR is actually the cause that the ERF-VIIs were less active in starved plants, the researchers directly studied the effect of TOR on ERF-VIIs. Doing this, the researchers noticed that in plants without TOR the ERF-VIIs did not do their job.

TOR is needed to let the ERF-VIIs know that there is enough energy to keep the anaerobic metabolism going. The longer the plant is submerged the slower TOR does its job. To save energy to survive.

Literature

Alicja B. Kunkowska, Fabrizia Fontana, Federico Betti, Raphael Soeur, Gerold J. M. Beckers, Christian Meyer, Geert De Jaeger, Daan A. Weits, Elena Loreti, Pierdomenico Perata (2023) Target of rapamycin signaling couples energy to oxygen sensing to modulate hypoxic gene expression in Arabidopsis. PNAS Vol. 120 e2212474120 https://doi.org/10.1073/pnas.2212474120

Balans houden bij onderdompeling

Plant & zo

Plantenwetenschap en meer


Balans houden bij onderdompeling

Planten hebben net als dieren en mensen zuurstof nodig om te overleven. Normaal gesproken geen probleem. Als bij product van fotosynthese is zuurstof ruim aanwezig. Maar is er een overstroming en staat de plant onderwater, kan er geen fotosynthese plaats vinden en is er een tekort aan zuurstof. Om zo’n onderdompeling toch te overleven schakelen planten over op zuurstofloos gebruik van energie. Minder efficiënt. Planten houden daarom een oogje op de beschikbare energie. Nu heeft een groep van Europese onderzoekers uitgezocht uit hoe planten deze informatie te gebruiken om de snelheid van zuurstofloos energie gebruik te reguleren

De belangrijkste regelaars van de omschakeling van een zuurstofrijk naar een zuurstofloos metabolisme zijn ERF-VIIs. Dit zijn gen aan/uitzetters. Is er veel zuurstof aanwezig dan zijn ERF-VIIs uitgeschakeld, alleen bij afwezigheid van zuurstof, door bijvoorbeeld een overstroming, mogen ERF-VIIs aan de slag.

Om te onderzoeken hoe ERF-VIIs reageren wanneer er een tekort aan energie is, verhongerde de onderzoekers planten voor het onderdompelen. Dit deden ze door de planten langer dan normaal in het donker te zetten. In niet verhongerde planten zagen de onderzoekers dat de ERF-VIIs hun werk enthousiast deden, ze schakelde snel de genen aan voor een zuurstofloos metabolisme. Maar dit gebeurde in veel mindere maten in de verhongerde planten.


TOR is nodig om de ERF-VIIs te laten weten hoeveel energie er is


De vraag was waarom. Om die te beantwoorden richtte de onderzoekers hun blik op de energie sensor TOR. Ze keken naar de activiteit van TOR in ondergedompelde verhongerde en niet verhongerde planten. In verhongerde planten bleek TOR niet zo veel te doen. In tegenstelling tot niet verhongerde planten waar TOR erg actief was. Maar ook dit bleek maar voor korte duur, hoe langer de onderdompeling, hoe inactiever TOR is.

Om er zeker van te zijn dat het TOR was die de ERF-VIIs minder actief liet zijn in de verhongerde planten bestudeerde de onderzoekers het effect van TOR op ERF-VIIs. De onderzoekers zagen dat in ondergedompelde planten zonder TOR ERF-VIIs hun werk niet deden.

TOR is nodig om de ERF-VIIs te laten weten dat er genoeg energie is om een zuurstofloos metabolisme aan de gang te houden. Hoe langer de onderdompeling van de plant, hoe rustiger TOR z’n werk doet. Om energie te besparen om te overleven.

Literatuur

Alicja B. Kunkowska, Fabrizia Fontana, Federico Betti, Raphael Soeur, Gerold J. M. Beckers, Christian Meyer, Geert De Jaeger, Daan A. Weits, Elena Loreti, Pierdomenico Perata (2023) Target of rapamycin signaling couples energy to oxygen sensing to modulate hypoxic gene expression in Arabidopsis. PNAS Vol. 120 e2212474120 https://doi.org/10.1073/pnas.2212474120

%d bloggers like this: