Bending due to gravity

Bending due to gravity

Place a plant on its side and its roots and shoots quickly grow down and up again. The plant sensed that the direction of gravity changed and adjusted its growth accordingly. But how plants regulate this temporary adjustment was not exactly known. Now a group of international researchers show that one part of the answer is the temporarily activating the auxin response factor ARF19.

Plant roots generally grow downwards. But sometimes they have to change direction like when they come across a rock. Then, and on the occasions when researchers turn plants sideways, plants sense a change in gravity. They respond to this new reality, and soon the roots bend and grow downwards again.

Before we can go into how plants manage this, first some basic root growth. Roots grow from growth centres at the tip of the root. From here small compact newly formed cells are added. Also here, there is a maximum of the plant hormone auxin, which from the tip flows back up the root, while gradually decreasing. This last bit is important as high auxin levels stops the newly forming cells from stretching themselves too soon. So when auxin levels are low enough, the cells start to stretch or elongate themselves.

Responding to more auxin

Now when roots perceive a change in gravity, they adjust this auxin flow back up the roots. They do this in such a way that the cells on the side of the root that is lower more auxin moves back up the root than the cells on the opposite side of the root. This results in two things. Firstly, the cells on the lower side of the root no longer stretch themselves. Secondly, the cells on the upper side of the root stretch themselves even more. Together this causes the root to bend.

Now the question that the researchers had was what happens between sensing more auxin and preventing the cells to stretch. A previous study showed that two auxin response factors ARF7 and ARF19 are needed for this. Under normal circumstances the activity of ARFs is repressed by so-called Aux/AAI proteins. Those Aux/AAI proteins get broken down when auxin levels increase, allowing ARFs to do their job of activating genes. In the case of responding to gravity, this would be genes related to the regulation of cell stretching.

Knowing this, you would expect that ARF genes are always active in the cell types they do their job in, so that upon auxin sensing they can directly start. But what the researchers found when looking at ARF gene activity after placing the plant sideways, was that ARF19 gene was actually activated. This activation was corresponding to the increased auxin levels in the lower root cells.

Temporally active

To find out where ARF7 might be needed for, the researchers explored a number of scenarios using a model. The one that matched the best with the observations was the one in which ARF7 activates the ARF19 gene but ARF19 is not activating its own gene. To conform that this is indeed what happens, the researchers looked if ARF7 and ARF19 could bind to the ARF19 promoter regions (this is how they activate genes in general). Finding that ARF7 indeed bound to the ARF19 promoter region, while ARF19 did not.

But then they found one oddity. Although the ARF19 gene requires ARF7 for activation, in absence of ARF7 plants still respond to gravity. So, the researchers did some digging, finding that ARF6 and ARF8 are often involved in auxin regulated processes in the roots. Therefore, they checked if these proteins could also bind to the promoter region of ARF19.  Finding that while ARF6 could not, ARF8 could. Explaining how there still could be a response to gravity in the absence of ARF7.

So, upon sensing a change in the direction gravity comes from the plant adjust its auxin flow back up the root. This in turn for the lower laying cells means more auxin and the activation of the ARF19 gene by ARF7 and ARF8, followed by the activation of genes involved in preventing cell from stretching themselves. On the others side of the root the opposite happens, which together allows for the bending of the root. As the ARF19 gene is only temporary active, this allows the plant to quickly return to the normal situation.

Literature

Erfan Ghafouri et al., ARF19 acts as a transient auxin response enhancer during root gravitropism. Cell Reports, 2026, 45 (6) 117555, https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(26)00633-9

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

Buigen door zwaartekracht

Buigen door zwaartekracht

De wortels en stengels van een plant die op z’n zij ligt groeien al snel weer naar beneden en boven. De plant heeft de verandering van de richting vanwaar de zwaartekracht komt waargenomen en zo doende z’n groei aangepast. Maar how planten deze tijdelijke aanpassing reguleren is niet helemaal bekend. Nu laten een groep van internationale onderzoekers zien dat een deel van het antwoord het tijdelijke aanzetten van de auxine response factor ARF19 betreft.

Plantenwortels groeien in het algemeen naar beneden. Maar soms moeten ze hun richting aanpassen, zoals wanneer ze een steen tegenkomen. Dan, en in de gevallen onderzoeker planten op hun zij leggen, nemen planten een verandering in zwaartekracht waar. Planten reageren op deze nieuwe realiteit, en al snel buigen hun wortels en groeien ze weer naar beneden.

Voordat we in kunnen gaan op hoe planten dit voor elkaar krijgen, eerst wat basiskennis over wortelgroei. Wortels groeien vanuit hun groeicentra in de tip van de wortel. Vanuit daar voegt de plant smalle nieuwgevormde compacte cellen toe. Ook heeft de plant daar z’n maximum van het plantenhormoon auxine, welke vanuit de tip van de wortel terug omhoog vloeit, maar dan wel in geleidelijk afnemende hoeveelheid. Dit laatste is belangrijk, omdat hoge auxine levels voorkomt dat de nieuwgevormde cellen zichzelf te snel uitrekken. Dus wanneer het auxine niveau laag genoeg is beginnen de cellen zich uit te rekken.

Reageren op meer auxine

Nu wanneer wortels een verandering in zwaartekracht waarnemen, dan passen ze de auxine stroom terug omhoog de wortel in aan. Dit doen ze op zo’n manier dat de cellen aan de kant van de wortel die lager ligt meer auxine terug omhoog vloeit dan aan de andere kant van de wortel. Dit resulteert in twee dingen. Ten eerste stoppen de cellen aan de lage kant van de wortel met het uitstrekken van zichzelf. Ten tweede strekken de cellen aan de bovenzijde van de wortel zich juist meer uit. Samen zorgt dit ervoor dat de wortel buigt.

 Nu vroegen de onderzoekers zich af wat er gebeurt tussen het waarnemen van meer auxine en het stoppen van het uitrekken. Eerdere studies hadden aangetoond dat twee auxine response factoren ARF7 en ARF9 hiervoor nodig zijn. Onder normale omstandigheden wordt de activiteit van ARF eiwitten onderdrukt door zo genoemde Aux/AAI eiwitten. Maar die worden afgebroken wanneer auxine levels toenemen, wat ARFs de mogelijkheid geeft om hun werk van genen activeren te doen. In het geval van het reageren op een verandering in zwaartekracht is dit het activeren van genen die het uitstrekken van cellen reguleren.

Dit wetende zou je verwachten dat ARF genen altijd actief zijn in de celtypes waarin ze hun werk doen, zodat na het toenemen van auxine ze direct aan de slag kunnen. Maar wat de onderzoekers vonden toen ze naar de activiteit van ARF genen keken nadat ze de plant op hun zij hadden gelegd was dat dit ARF19 juist activeerde. Deze activering correspondeerde direct met de toegenomen auxine levels in de lage kant van de wortel.

Tijdelijk actief

Om uit te vinden waarvoor ARF7 dan nodig voor is, verkende de onderzoekers verschillende scenario’s met behulp van een model. Een daarvan die het best paste met de observaties was die waar in ARF7 het ARF19 gen activeert, maar ARF19 niet z’n eigen gen. Om te bevestigen dat dit inderdaad is wat er gebeurt keken de onderzoekers of ARF7 en ARG19 aan de promoter van ARF19 konden binden (dit is hoe ARF eiwitten in het algemeen genen activeren). Hierbij vonden ze dat ARF7 inderdaad aan de promotor van ARF19 kon binden, terwijl ARF19 dat niet kon.

Toen was er nog een afwijking. Alhoewel het ARF19 gen ARF7 nodig heeft voor expressie reageren de planten in afwezigheid van ARF7 nog steeds op de zwaartekracht. Daarop doken de onderzoekers in de literatuur en vonden dat ARF6 en ARF8 vaak betrokken zijn bij reactie op auxine in de wortel. Daarom gingen ze na of deze eiwitten ook aan de promoter regio van ARF19 konden binden. Hierbij vonden ze dat ARF6 dit niet kon, maar ARF8 wel. Wat verklaard hoe er nog een reactie op de zwaartekracht kon zijn in de afwezigheid van ARF7.

Dus na het waarnemen van een verandering in de richting waarvan de zwaartekracht komt passen planten hun auxine stroom terug omhoog de wortel in aan. Dit op hun beurt betekend voor de lagergelegen wortelcellen meer auxine en de activatie van het ARF19 gen door ARF7 en ARF8. Wat op zijn beurt weer resulteert in de activatie van de genen die betrokken zijn in het voorkomen dat de cellen zich uitstrekken. Aan de andere kant van de wortel gebeurt het tegen over gestelde, samen resulteert dit in het buigen van de wortel. Omdat het ARF19 gen maar tijdelijk actief is geeft dit de plant de mogelijkheid on daarna snel naar de normale situatie terug te keren.

Literatuur

Erfan Ghafouri et al., ARF19 acts as a transient auxin response enhancer during root gravitropism. Cell Reports, 2026, 45 (6) 117555, https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(26)00633-9

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.

Turning red

Turning red

Plants are wonderful chemical factories. So when synthetic food dyes get banned it is only logical to look for plant produced alternatives, like betalain which is naturally produced by beetroots and their relatives. A new study by American researchers explores the possibility of getting other plant species to produce betalain.

Betalains are behind your red stained fingers after peeling or cutting beetroots. They make an excellent alternative to synthetic red food dyes. The only problem, beetroots don’t store well. To both increase betalain production and storability the researchers explored if they could get other plants to produce it, focussing on Arabidopsis, tobacco and soybean.

Beetroots produce betalain via L-DOPA from tyrosine. So, to get other plants to produce betalain researchers have roughly two approaches. The first is they give the plants just the genes needed for the production of betalain from tyrosine. This is called the “pull” approach as it is pulling tyrosine away from its regular downstream use. The second approach is called a “Push & Pull” approach as it is in addition to pulling tyrosine away, it is also pushing the production of tyrosine upwards, using this approach the researchers also give the plants the instructions to produce extra tyrosine. The researchers wanted to analyse the effects of each approach separately, but for simplicity I focus here in the “Push & Pull” approach.

Ruby red plants

At first, the researchers failed miserably, no stable transgenic betalain producing plants could be produced. Investigating this the researchers found out that while L-DOPA was produced this wasn’t used to produce betalain. So, they did some tweaking to the construct they gave the plant so that it would produce about twice the amount of the enzymes needed for the production of betalain from L-DOPA then the amount of the enzymes it produced for the production of L-DOPA from tyrosine. This seemed to do the trick. The plants with the “Push & Pull” construct turned their stems and leaves ruby red.

For tobacco plants this worked reasonably well, although they where slightly smaller than normal tobacco plants. For soybeans this approach appeared to work even better, with no hint of a smaller statue. However not all seeds of the next generation germinated and the ones that did where hemizygous, meaning that they inherited only one copy of the “Push & Pull” construct. While this is no problem for the current generation, it means that not all seeds of the subsequent generation will carry the genes needed to produce betalain. For Arabidopsis it didn’t work out that well. The freshly transformed plants, although ruby coloured, had lots of growth defects and failed to produce any seeds.

Some extra tweaking needed

So, although the betalain production worked well in soybean and tobacco, there where still some things to optimise. The growth defects and the inability to produce viable seeds suggest toxicity. This toxicity likely occurs through a build up of produced precursors and intermediates and damages the plant. This suggests that the timing of when the extra tytosine production starts and when the production of betalain starts needs to be better coordinated, for example with constructs that start the extra tyrosine production only after the seeds have germinated. This is one of the things that the researchers plan to test next.

So, it is possible to get other plant species to produce the ruby red betalain. However, as this study shows not all species are equally well suited for it. But before betalain can be produced at scale by other plants than beetroot, there is still some tweaking of the “Push & Pull” approach to be done. So that each generation of ruby red plants are just as likely to germinate and inherit the betalain producing genes as the previous one.

Literature

Soyoung Jung, Marcos V V de Oliveira, Ray Collier, Abou Yobi, Ruthie Angelovici, Shawn M Kaeppler, Hiroshi A Maeda, Chassis Selection and Metabolic Fine-Tuning Enable Efficient in planta Betalain Production, Plant Physiology, 2026;, kiag337, https://doi.org/10.1093/plphys/kiag337

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

Rood kleuren

Rood kleuren

Planten zijn fantastische chemische fabrieken. Dus wanneer synthetische voedselkleurstoffen verboden worden is het niet meer dan logisch om naar door planten geproduceerde alternatieven te kijken. Zoals bijvoorbeeld betalain, van nature gemaakt door bieten en hun familie. Een nieuwe studie van Amerikaanse onderzoekers verkent de mogelijkheden om betalain door andere planten te laten produceren.

Betalain is de kleurstof die je vingers rood kleuren bij het snijden van bietjes. Ze zijn dus een uitstekend alternatief voor synthetische rode kleurstoffen. Het enige probleem is, bieten bewaren is een beetje een dingetje. Om zowel de betalain productie op te schroeven als de opslag makkelijker te maken verkende de onderzoekers of ze andere planten zo ver konden krijgen om het te produceren. Met de focus op Arabidopsis, tabaksplanten en sojabonen.

Bieten produceren betalain door tyrosine om te zetten in L-DOPA en vervolgens in betalain. Om andere planten betalain te laten produceren hebben onderzoekers grofweg twee opties. De eerste is het geven van de benodigde genen om betalain te kunnen produceren uit tyrosine. Dit wordt ook wel een “pull” aanpak genoemd, omdat het de tyrosine weghaalt waar de plant het normaal gezien voor gebruikt. De tweede aanpak wordt de “push & pull” aanpak genoemd, omdat het niet alleen tyrosine weghaalt waar het normaal wordt ingezet, maar ook nog eens de aanmaak van tyrosine opschaalt. De onderzoekers analyseerde de effecten van elke aanpak apart, maar om het simpel te houden bespreek ik hier alleen de “push & pull” aanpak.

Ruby rode planten

In het begin faalde de onderzoekers gigantisch. Er werden geen stabiele transgene betalian producerende planten geproduceerd. Dit onderzoekend vonden de onderzoekers dat alhoewel L-DOPA geproduceerd werd, dit niet voor de productie van betalain gebruikt werd. Dus paste ze het construct dat ze aan de planten gaven zo aan dat het twee keer de hoeveelheid enzymen produceerde die L-DOPA omzette in betalain dan enzymen die tyrosine omzetten in L-DOPA. Dit lijkt het te werken. Planten met het “push & pull” construct kleurde ruby rood.

Voor tabaksplanten werkte dit redelijk, al waren ze net iets kleiner dan normale tabaksplanten. Voor sojabonen lijkt de aanpak zelfs nog beter te werken, de planten waren net zo groot. Maar niet alle zaden van de volgende generatie ontkiemde, en diegene die dat wel deden waren hemizygoot, wat betekend dat ze maar een kopie van het “push & pull” construct erfde. En alhoewel dit geen probleem is voor de huidige generatie, betekent het dat niet alle zaden van de volgende generatie de genen hebben om betalain te produceren. Voor Arabidopsis pakte de aanpak om betalain te produceren niet goed uit. De planten, ook al waren ze ruby rood, hadden veel groeidefecten en produceerden geen zaden.

Nog wat extra aanpassingen nodig

Dus alhoewel de betalain productie goed werkte in sojabonen en tabaksplanten waren er nog een paar dingen om te optimaliseren. De groeidefecten en het falen om levensvatbare zaden te produceren suggereert toxiciteit. Waarschijnlijk komt deze toxiciteit door de opeenstapeling van tussenproducten die de plant beschadigen. Dit suggereert dat de timing van wanneer de extra tyrosine productie start en wanneer de betalain productie start beter op elkaar afgestemd moeten worden, door bijvoorbeeld de extra tyrosine productie pas te laten beginnen nadat de zaden zijn ontkiemd. Dit is dan ook een van de dingen die de onderzoekers nu gaan testen.

Dus het is mogelijk om ander plantensoorten de ruby rode betalain te laten produceren. Al is het wel zo, zoals deze studie aantoont, dat niet alle soorten er even geschikt voor zijn. Maar voordat betalain op grote schaal door andere planten dan bieten geproduceerd kan worden zijn er nog wat aanpassingen nodig in de “push & pull” aanpak. Zodat elke generatie ruby rode planten net zo veel kans maken om te ontkiemen en de betalain producerende genen te erven als de vorige.

Literatuur

Soyoung Jung, Marcos V V de Oliveira, Ray Collier, Abou Yobi, Ruthie Angelovici, Shawn M Kaeppler, Hiroshi A Maeda, Chassis Selection and Metabolic Fine-Tuning Enable Efficient in planta Betalain Production, Plant Physiology, 2026;, kiag337, https://doi.org/10.1093/plphys/kiag337

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.