Sounding the alarm

Sounding the alarm

Early detection of a pathogen attack can prevent the spread of an infection. Scientists know how plants detect pathogens and contain infections locally. But how this early detection is then translated into warning for the rest of the plant is less well understood. Part of the problem was the absence of a reporter that can capture the dynamics of this process. Now British researchers show in Nature Plants using a reporter system that the alarm passes through the plant much faster than first thought.

After a pathogen infects one leaf, the immune system sends a warning signal to the rest of the plant, telling it to prepare for an attack. As such if after that initial infection a second pathogen tries to infect the plant it is met by the plant’s immune system in full riot gear. No pathogen comes through. How fast and through which signalling molecules the alarm is activated is unknown, although scientist suggested that the plant hormone salicylic acid might be involved, as it is with other infection responses.

Unsuspected alarm raiser

Now to investigate this properly required a reporter for the alarm signal. This the researchers of the study found in a gene they now call JISS. By coupling the promoter region – the part that tells the gene when to be active – to luciferase – a gene that encodes for a protein that lights up – the researchers could see when and where JISS was activated. Using this reporter the team showed that within three to five hours after infection JISS was activated throughout the plant. This was before there where even visible signs that the plant was infected. That was surprisingly fast.

Next came trying to find out where in the process of sounding the alarm the activation of JISS fitted. So, the researchers checked if the alarm was still sounded in a bunch of known defence response mutants. In all of the mutants tested the warning signal was still able to travel through the plant. Suggesting that the alarm by which JISS is activated comes before the defence response is raised.

Subsequently the researchers wanted to find out the signalling molecule that sets off this early pathogen alarm. Surprisingly they found that this was not the plant hormone salicylic acid or a signalling molecule related to salicylic acid. Instead, the plant hormone jasmonic acid activated the alarm. They confirmed this using mutans that could not make or detect jasmonic acid. In these mutants the JISS-reporter signal did not travel, and the plant was not prepared for a second infection.

Calcium required for alarm

To find the alarm signal the researchers next checked if they could detect any electrical signal. By connecting electrodes to different leaves of the plant the researchers noticed that after infection, first there is a clear electrical signal in the infected leaf, followed by one in its neighbours and later a weak signal in a more distant leaf. This electrical signal was absent in mutans that could not make or detect jasmonic acid.

The researchers suspected that the source of this electric signal might be calcium. They tested this with blocking calcium signals and checking the JISS-reporter signal. After blocking calcium, no reporter signal was detected. Indicating that calcium is required for spreading the warning signal.

So, within hours after detecting an infection, before outward signs are even seen, the whole plant is protected via this jasmonic acid sounded and calcium facilitated alarm signal.

Literature

Gaikwad, T., Breen, S., Breeze, E. et al. Rapid local and systemic jasmonate signalling drives the initiation and establishment of plant systemic immunity. Nat. Plants 12, 152–163 (2026). https://doi.org/10.1038/s41477-025-02178-4

Thanks for reading.
If you like what you read, support me with on of the following actions

🍵 Buy me a tea

Follow me on LinkedIn or BlueSky
Share it with a friend or co-worker
Singing up to my newsletter so my next blog lands directly in your inbox

Alarm slaan

Alarm slaan

Vroege detectie van ziektekiemen kan verspreiding naar de rest van de plant voorkomen. Wetenschappers weten hoe een plant ziektekiemen herkent en begrenzen infecties lokaal. Maar begrijpen minder goed hoe planten deze detectie vertalen in een waarschuwing voor de rest van de plant. Deel van het probleem is het gebrek aan een goede reporter die de dynamiek van dit proces kan laten zien. Nu laten Britse onderzoekers in Nature Plants met behulp van een reporter zien dat het alarmsignaal zich veel sneller door de plant verspreid dan eerst werd gedacht.

Nadat een ziektekiem een blad infecteert stuurt het immuunsysteem een alarmsignaal naar de rest van de plant met de boodschap: bereid voor op een aanval. Met als gevolg dat elk daaropvolgende ziektekiem verwelkomd wordt door het immuunsysteem van de plant in volle aanvalsuitrusting. Geen ziektekiem die daar doorheen komt. Maar hoe snel en via welke signaal moleculen de plant dit alarm activeert is onbekend, al suggereren onderzoekers dat, net zoals bij andere infectie reacties het plant hormoon salicylzuur betrokken kan zijn.

Onverwachte alarmist

Nu, om dit goed te onderzoeken is een goede reporter voor het alarmsignaal nodig. Deze vonden de onderzoekers van de studie in een gen dat ze nu JISS noemen. Door de promoter regio – het gedeelte dat vertelt wanneer een gen actief moet zijn – te koppelen aan luciferase – een gen dat codeert voor een eiwit dat oplicht – konden de onderzoekers zien wanneer en waar JISS was geactiveerd. De onderzoekers toonde met behulp van deze reporter aan dat binnen drie tot vijf uur na een infectie JISS geactiveerd was in de gehele plant. Dit was verrassend snel. 

Vervolgens kwam het uitzoeken van waar in het proces van alarm slaan de activatie van JISS past. Daarom gingen de onderzoekers na of het alarm nog steeds afging in een aantal bekende verdedigingsmutanten. In alle geteste mutanten ging het alarmsignaal nog steeds af. Wat suggereert dat het alarm dat JISS activeert vroeg voor de andere, al bekende, verdediging komt.

Hierna gingen de onderzoekers na welk signaal molecuul dit vroege ziektekiem alarm slaat. Verrassend genoeg bleek dit niet het plant hormoon salicylzuur of een molecuul gerelateerd aan salicylzuur te zijn. Tegen de verwachtingen in activeert het plant hormoon jasmijnzuur het alarm. Om dit te bevestigen gebruikte de onderzoekers mutanten die geen jasmijnzuur konden maken of detecteren. In deze mutanten reisde het JISS-reporter signaal niet, en was de plant niet voorbereid op een volgende infectie.

Calcium nodig voor alarm

Om het alarmsignaal te vinden gingen de onderzoekers na ze een elektrisch signaal konden waarnemen. Door electroden aan verschillende bladeren vast te maken zagen de onderzoekers na infectie een duidelijk elektrisch signaal in het geïnfecteerde blad, gevolgd door een signaal in de aangrenzende bladeren en vervolgens een zwak signaal in een meer afgelegen blad. Dit elektrisch signaal was afwezig in mutanten die geen jasmijnzuur konden maken of detecteren.

De onderzoekers verwachte dat de bron van dit elektrisch signaal calcium was. Dit testte ze door calcium te blokkeren. In planten waar calcium geblokkeerd was reisde na een infectie het JISS-signaal niet door de plant. Wat aangeeft dat calcium nodig is voor het verspreiden van het alarm.

Dus, binnen uren na de detectie van ziektekiemen, nog voordat uitwendige kenmerken zichtbaar zijn, is de hele plant beschermt via dit door jasmijnzuur geactiveerde en door calcium gefaciliteerde alarmsignaal.

Literatuur

Gaikwad, T., Breen, S., Breeze, E. et al. Rapid local and systemic jasmonate signalling drives the initiation and establishment of plant systemic immunity. Nat. Plants12, 152–163 (2026). https://doi.org/10.1038/s41477-025-02178-4

Bedankt voor het lezen
Vond je het interessant, overweeg dan een van de volgende acties

🍵 Buy me a tea

Volg me op LinkedIn of BlueSky
Stuur het door aan een vriend of collega
Abonnneer je op m’n nieuwsletter zodat de volgende automatisch in je inbox verschijnt.

Creating an oxygen-restricted niche

Creating an oxygen-restricted niche

Although plants, just like us, need oxygen, their growth centre, there where the leaves and stems emerge, is surprisingly low on oxygen. There, there is four to six times less than in the air outside the plant. Scientists believes that this is needed to keep that growing tip functioning. But up till now it was unknown how plants establish and maintain that low oxygen niche. Now a group of international researchers show in Molecular Plant how a plant manages this.

The growth centres of the plant are responsible for the production of all new organs, like leaves and stems, of the plant. The shoot apical meristem is the growth centre produces new leaves and stems and does this from a small group of stem cells. One of the features of this growth centre is that it is low on oxygen. And although scientists have their suspicions of why that is, testing this is difficult without knowing how a plant creates this low oxygen niche. So, the researchers set out to find out.

After having confirmed in tomato and tale cress plants that this region is indeed low on oxygen, they analysed how the cells were packed into this region using X-ray scans. In contrast to leaves, whose cells are loosely packed with lots of airy spaces, the cells of the shoot apical meristem where tightly packed. Restricting the movement of air, including oxygen.

A physical barrier

But how tightly the cells were packed was not the only thing the researchers looked at. Next, they checked if another physical barrier also prevents the oxygen from coming in. The barrier they were looking at was the cuticle, a waxy outer layer. After having checked that the growth centre is indeed covered by a waxy layer, they tried to remove it, using mutants that did not produce the waxy molecules or broke them down quickly.

This turned out to be more complicated than first thought. But eventually the researchers found that when this waxy layer was absent, even partially, more oxygen managed to get into the shoot apical meristem. Although in the middle of the growth centre there still had a low oxygen niche.

Now the researchers had found how the plant prevents oxygen getting in, the next question was, how does the plant maintain this niche. For that the researchers turned to oxygen use. The mitochondria of plants, just like their human counterparts, use oxygen to produce energy from glucose. When the researchers shut down these mitochondria in the growth centre, then the oxygen levels creep up. Although, they were still lower than outside the growth centre.

Nothing missed

To confirm this in a more natural setting the researchers looked at oxygen levels in the growth centre when they where naturally starved, like at the end of the night, when mitochondria have less to do. This showed that at dawn the oxygen levels were higher than later in the day.

Having all found that, the researchers wondered if there was anything that they had missed. Ideally, they would have created a plant which missed the waxy-layer, had inactive mitochondria, and a less densely packed growth centre. But this was not possible. So, they did the second-best thing, they put all their obtained data in a model and asked it if they missed anything. As the outcomes of the model overlapped with what was observed, it strongly suggests that there are no additional factors contributing to the establishment and maintenance of the low oxygen levels.

Now researchers have found out how plants establish and maintain low oxygen levels in their shoot apical meristem, they start finding out why that low oxygen niche is required. Is it as they think to prevent the breakdown of essential proteins or are there other reasons as well? Moreover, it might give researchers tools to tweak the size of the growth centre and through that the size and shape of the plant. And might give insights into how to improve flood resistance.

Literature

Voloboeva V., Dequeker B., Van Doorselaer L., Panicucci G., Perata P., Verboven P., Nicolai B., and Weits D.A. (2026). The hypoxic niche enclosing the shoot apical meristem is shaped by a combination of morphological features and metabolic activity. Molecular Plant doi: https://doi.org/10.1016/j.molp.2026.02.011

Thanks for reading.
If you like what you read, support me with on of the following actions

🍵 Buy me a tea

Follow me on LinkedIn or BlueSky
Share it with a friend or co-worker
Singing up to my newsletter so my next blog lands directly in your inbox

Een zuurstofarme niche creëren

Een zuurstofarme niche creëren

Alhoewel planten, net als wij, zuurstof nodig hebben is hun groeicenter, daar waar de bladeren en stengels uitkomen, verassend genoeg zuurstofarm. Daar is vier tot zes keer minder zuurstof dan in de lucht buiten de plant. Wetenschappers geloven dat dit nodig is voor het functioneren van de groeicenter. Maar tot nu toe was het onbekend hoe planten deze zuurstofarme omgeving creëren en behouden. Nu laat een groep van internationale onderzoekers in Molecular Plant zien hoe planten dit doen.

De groeicenters van de plant zijn verantwoordelijk voor de productie van alle nieuwe organen, zoals de bladeren en de stengels, van de plant. De shoot apical meristem is de groeicenter dat nieuwe bladeren en stengels groeit, het doet dit met behulp van een kleine groep stamcellen. Een van de eigenschappen van dit groeicenter is dat deze zuurstofarm is. En alhoewel onderzoekers wel een idee hebben waarom dit zo is, dit testen zonder te weten hoe een plant zo’n zuurstofarme omgeving creëert is lastig. Daarom besloten de onderzoekers om dat uit te vinden.

Nadat ze voor tomaat en de zandraket hadden bevestigd dat hun groeicenter inderdaad een zuurstofarme omgeving is, bestudeerde de onderzoekers met röntgenstraling hoe de cellen in deze omgeving opeengepakt zitten. In tegenstelling tot de luchtige en losjes geplaatste bladcellen, zitten de cellen van het groeicenter dicht opeengepakt. Dit beperkt de beweging van lucht, inclusief dat van zuurstof.

Een fysieke barrière

Maar hoe opeengepakt de cellen zaten was niet het enige waar de onderzoekers naar keken. Ze keken ook naar een tweede fysieke barrière die de voorkomt dat zuurstof een weg naar binnen vindt. Deze barrière waar ze naar keken was de cuticle, een waslaag aan de buitenkant van de plant. Na gecheckt te hebben dat de groeicenter inderdaad een waslaag heeft, probeerde de onderzoekers deze laag te verwijderen met behulp van mutanten die of minder was moleculen produceerden of die juist sneller afbraken.

Dit bleek minder simpel dan in eerste instantie gedacht. Maar uiteindelijke zagen de onderzoekers dat in afwezigheid van deze waslaag, ook al was het maar gedeeltelijk, dat er meer zuurstof in de groeicenter aanwezig was. Al was het binnenste van de groeicenter nog steeds zuurstofarm.

Nu hadden de onderzoekers gevonden hoe de plant ervoor zorgt dat er geen zuurstof binnenkomt, het volgende waarna ze keken hoe planten deze niche behouden. Hiervoor keken de onderzoekers naar het zuurstof gebruik. De mitochondriën van de plant gebruiken, net als hun menselijke versies, zuurstof voor de productie van energie uit glucose. Toen de onderzoekers de mitochondriën in de groeicenter stopte zagen ze daar de hoeveelheid zuurstof toenemen. Al bleef die nog steeds veel lager dan buiten de groeicenters.

Niks gemist

Om dit te bevestigde in een meer natuurlijke situatie keken de onderzoekers naar de hoeveelheid zuurstof in de groeicenter gedurende van nature voorkomende honger situaties, zoals aan het eind van de nacht wanneer mitochondriën dus minder te doen hebben. Dit liet zien dat bij zonsopkomst het zuurstof niveau hoger was dan later op de dag.

Nu ze dit alles hadden gevonden vroegen de onderzoekers zich af of ze iets hadden gemist. Ideaal gezien hadden ze een plant gecreëerd die de was laag miste, met inactieve mitochondriën, en een minder dicht op elkaar gepakte cellen in de groeicenter. Maar dit was niet mogelijk. Dus gingen ze voor de tweede optie. Ze stopten alle verkregen gegevens in een model en vroegen die of ze iets gemist hadden. De uitkomsten van het model kwamen overeen met wat de onderzoekers waarnamen, wat suggereerde dat er geen extra factoren bijdroegen aan het creëren en behouden van de zuurstofarme omgeving.

Nu onderzoekers hebben gevonden hoe planten een zuurstofarme niche creëren en behouden kunnen ze beginnen met uitzoeken waarom een zuurstofarme niche nodig is. Is het zoals ze denken om de afbraak van essentiële eiwitten te voorkomen, of zijn er nog andere reden? Daarnaast, kan het onderzoekers manieren geven om de grote van de groeicenter te beïnvloeden en daarmee de grote en de vorm van de plant. Ook kan het inzichten geven in hoe planten beter resistent tegen overstromingen te maken.

Literatuur

Voloboeva V., Dequeker B., Van Doorselaer L., Panicucci G., Perata P.,Verboven P., Nicolai B., and Weits D.A. (2026). The hypoxic niche enclosing the shoot apical meristem is shaped by a combination of morphological features and metabolic activity. Molecular Plant doi: https://doi.org/10.1016/j.molp.2026.02.011

Bedankt voor het lezen
Vond je het interessant, overweeg dan een van de volgende acties

🍵 Buy me a tea

Volg me op LinkedIn of BlueSky
Stuur het door aan een vriend of collega
Abonnneer je op m’n nieuwsletter zodat de volgende automatisch in je inbox verschijnt.