Hoe de winter te voorspellen

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

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

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

Touching: No thanks

Touching: No thanks

A path across a field of grass, noticeable because the grass is shorter. Grass we often walk over grows slower. It is one of the most eye-catching examples how plants react to repeated touch. They don’t like it. Above ground plants grow less fast, and flower later. Below ground, they anchor themselves more deeply. The response starts with recognition of repeated touch. 

Plants recognise touch and pressure using protein channels and receptors located in cell membranes. The protein channels allow a signal to pass when the cell is touched or pressed. A receptor on the other hand gives, when the cell is touched, a message to the proteins in the cell. Researchers from Sweden analysed how plants respond to light touch. For this, using a paint brush they lightly brushed the leaves. Then observed at gene level the reaction of the plant: which genes turned on and which turned off. Followed by an analysis of which proteins are essential for this reaction. Two it turned out: Feronia and CAMTA.

Feronia prevents that after a single tough growth is slowed down growth for long

Feronia is a receptor, and only gives a message when there is no touch. The message: Do not do anything, stay inactive. The receiver: the gene activators MYC2, 3, 4, and 5. In this way the plant only reacts to touch when there is touch. MYC2, 3, 4, and 5 spring into action, when there is no message from Feronia. They turn on genes needed to react to touch.

Not only Feronia, but also CAMTA is needed for the response to touch. Like MYC2, 3, 4 and 5 is CAMTA a gene activator. After a signal, most likely from a protein channel, CAMTA gets into action. It turns genes on, but a different group than those of the MYC 2, 3, 4, and 5 gene activators. The researchers noticed that activation of both gene groups is needed for the response to touch. The plant only slows down its growth if both CAMTA and MYC2, 3, 4, and 5 turn on their genes.

A touch often happens for a short moment. Quickly Feronia gives MYC2, 3, 4, and 5 the order again: Do nothing, stay inactive! Preventing slowing down the growth of a plant for long periods of time. That is, unless touching occurs time after time. Then MYC2, 3, 4, and 5 stay active and the growth slows down. By walking over the same grass over and over again, we give the message don’t grow; and a pad becomes visible.

Literature

Essam Darwish, Ritesh Ghosh, Abraham Ontiveros-Cisneros, Huy Cuong Tran, Marcus Petersson, Liesbeth De Milde, Martyna Broda, Alain Goossens, Alex Van Moerkercke, Kasim Khan, Olivier Van Aken (2022) Touch signaling and thigmomorphogenesis are regulated by complementary CAMTA3- and JA-dependent pathways. Science Advances 8, eabm2091