Fruit development

Fruit development

Strawberries, apples, pears, bananas, but also cucumbers, tomatoes, peppers, and pumpkins, are all fruits. All protecting their seeds and distributing them. Because we, and animals are picking them, taking, and eating them. There are also countless seedless fruits. Bred specially for us. But we actually don’t know how this is possible.

The development of seed and fruit all starts at the moment of fertilization. In contrast to the single fertilization that takes place by people and the animals around us, flowering plants have a double fertilization. The first fertilisation is the well-known union of egg and the sperm cells, resulting in a developing embryo.

The second fertilization is the union of a second sperm cell with the two nuclei of the central cell, resulting in the development of the endosperm. Of the endosperm it was long thought that it purely functions as a nutrient reserve for the future seed. But recent research indicates it also has a role in the coordination of embryo, seed coat and fruit development. Afterall, it is useful if this all occurs more or less synchronized.

Not the seed production, but endosperm development is essential for our fruits

American researchers studied in strawberries how the endosperm initiates fruit development. They analysed why a mutant did not develop any fruit, even though it was double fertilised. Firstly, they compared the genes that were turned on or off in the mutant strawberry plants with those in normal strawberry plants. It turned out that in the mutant the genes for the production of the plant hormones auxin and gibberellic acid were turned off. Auxin or gibberellic acid application to the mutant strawberry could indeed start off fruit production.

The auxin needed, so notice the researchers subsequently, was not produces by the embryo but by the endosperm. Directly after fertilization, auxin production by the endosperm starts. The produced auxin in turn stimulates fruit development. When the auxin production does not start, fruit will not form. This did not only was the case for strawberries, but also in the model plant Arabidopsis, (tale cress), and probably also for other flowering plants.

Not the seed production, but endosperm development is essential for our fruits. This not only explains why the mutants hardly developed any fruit, but it can also explain how seedless fruits are possible. It is after all entirely possible to have a mutation that starts the production of auxin and gibberellic acid without fertilization.

Literature

Guo L., Luo X., Li M., Joldersma D., Plunkert M., Liu Z. (2022) Mechanism of fertilization-induced auxin synthesis in the endosperm for seed and fruit development. Nature Communications 13, 3985  https://doi.org/10.1038/s41467-022-31656-y

Vrucht ontwikkeling

Vrucht ontwikkeling

Aardbeien, appels, peren, bananen, maar ook komkommers, tomaten, paprika, en pompoenen, alle vruchten. Allemaal beschermen ze de zaden van de plant. Verspreiden deze. Omdat wij en andere dieren ze plukken, meenemen, opeten. Ook zijn er talloze zaadloze vruchten. Speciaal voor ons gekweekt. Maar we weten eigenlijk niet echt hoe dit mogelijk is.

De ontwikkeling van zaden en vruchten begint allemaal bij de bevruchting. In tegenstelling tot de enkele bevruchting die plaatsvindt bij ons mensen en de dieren om ons heen, hebben bloeiende planten een dubbele bevruchting. De eerste bevruchting is het bekende samensmelten van ei- en spermacellen, wat resulteert in de ontwikkeling van een embryo.

De tweede bevruchting is de versmelting van een tweede spermacel met de twee kernen van de centrale cel, dit resulteert in de ontwikkeling van het endosperm. Van het endosperm is lang gedacht dat het puur als reservevoedsel voor het toekomstige zaadje dient. Maar recente onderzoeken wijzen erop dat het ook een taak heeft in het coördineren van embryo, zaadhuid en vruchtvlees ontwikkeling. Het is namelijk wel zo handig als dit allemaal een beetje synchroon loopt.

Niet zaadproductie, maar endosperm ontwikkeling is essentieel voor vruchtvlees ontwikkeling

Amerikaanse onderzoekers onderzochten hoe het endosperm de ontwikkeling van fruit in gang zet, in aardbeien. Ze bestudeerde mutanten die ondanks de dubbele bevruchting nauwelijks vruchtvlees maakte. Eerst vergeleken de onderzoekers de genen die aan en uitstonden in de mutant aardbei met die in een gewone aardbei. Wat ze ontdekte; de genen voor de productie van de plantenhormonen auxine en gibberellinezuur stonden uit. Het toedienen van auxine en gibberellinezuur aan de mutant aardbei zorgde allebei dan ook dat de vruchtvlees productie op gang kwam.

Auxine, zo zagen de onderzoekers vervolgens, kwam niet van de embryo, maar van het endosperm. Gelijk na de bevruchting komt auxine productie in het endosperm op gang. Vervolgens stimuleert auxine vruchtvlees productie. Komt de auxine productie niet op gang, dan is er geen vrucht. Dit bleek niet alleen in aardbei zo te zijn maar ook in de model plant Arabidopsis (zand raket), en waarschijnlijk ook voor andere bloeiende planten.

Niet zaadproductie, maar endosperm ontwikkeling is essentieel voor vruchtvlees ontwikkeling. Dit verklaart niet alleen hoe de mutanten nauwelijks vruchtvlees maakten, maar kan ook verklaren hoe zaadloze vruchten mogelijk zijn. Er kan tenslotte ook een mutatie plaatsvinden die auxine en gibberellinezuur productie opgang brengt zonder dat er een bevruchting was.

Literatuur

Guo L., Luo X., Li M., Joldersma D., Plunkert M., Liu Z. (2022) Mechanism of fertilization-induced auxin synthesis in the endosperm for seed and fruit development. Nature Communications 13, 3985  https://doi.org/10.1038/s41467-022-31656-y

Excel through collaboration

Excel through collaboration

Fungi, we see them mostly as the mushrooms that stick their heads above the ground in autumn. But underground there are whole networks of them. Plants make good use of those. They collaborate with Arbuscular mycorrhizal fungi. Exchanging sugars for nutrients. And are so able to excel during difficult times. Not only when there is a nutrient shortage, but also during a water shortage. For a long time, researchers thought this was a side effect. But now they show that these fungi actually provide extra water.

To us the ground appears to be impermeable, but in truth it is full of holes. Big holes, small holes, and miniscule holes. Water loves holes, as such it often can be found in them. A root that makes its way through the earth searchers water. Taking up the water out the big holes, and the small holes. But they can’t reach the water in the miniscule holes. The roots are too big for those. Fungal threads not, they can get into the miniscule holes and reach the water they are holding.

The fungal threads appear to transport the water to the plant

The American researchers used this fact. They grew plants in a pot with a barrier. Roots could not grow through this barrier, but fungal threads could. The researchers watered the plants with labelled water at the side of the barrier only fungi could access. Then they analysed the plants. Plants that collaborated with the fungi were sweating twice as much as plants without helping fungi. And two thirds of the collaborating plants sweat was labelled water. These plants were taking up water that they could only access with help of their fungal collaborators.

Subsequently they study how the fungi gets the water to the plant. The researchers dyed the water at the side of the barrier that only the fungi could access, using a dye that could not get through the cell membrane. They say the dye back in the roots. But also, at the outside of the fungal threads. It appears that the fungal threads hold on to the water at the outside. And in this way transport the water to the plant.

With the help of fungi, plants can get to the water in the miniscule holes. In this way fungi help plants in times of drought. When the extra water can be the difference between excelling or dying.

Literature

Kakouridis, A., Hagen, J.A., Kan, M.P., Mambelli, S., Feldman, L.J., Herman, D.J., Weber, P.K., Pett-Ridge, J. and Firestone, M.K. (2022), Routes to roots: direct evidence of water transport by arbuscular mycorrhizal fungi to host plants. New Phytol. https://doi.org/10.1111/nph.18281

Floreren door samenwerking

Floreren door samenwerking

Schimmels, wij zien ze voornamelijk als paddenstoelen die in de herfst hun kop boven grond steken. Maar hele netwerken hebben ze onder de grond. Planten maken daar handig gebruik van. Ze gaan samenwerkingsverbanden aan met Arbuscular myorrhizal schimmels. Ruilen suikers om voor voedingstoffen. En kunnen zo floreren tijdens moeilijke omstandigheden.  Niet alleen wanneer voedingstoffen schaars zijn, maar ook bij water te kort. Lang dachten onderzoekers dat dit een bijwerking was, maar nu tonen ze aan dat deze schimmels ook extra water aanleveren.

Voor ons lijkt de grond ondoordringbaar, maar in werkelijkheid zit deze vol met gaatjes. Grote gaatjes, kleine gaatjes, en minuscule gaatjes. Water is dol op gaatjes, en zit hier dan ook vaak. Een wortel die een weg door de aarde baant zoekt het water. Wortels nemen het water op uit de grote gaatjes, en de kleine gaatjes. Maar kunnen niet bij het water uit de minuscule gaatjes. Daarvoor zijn ze te groot. Schimmeldraden niet, die kunnen wel in de minuscule gaatjes en het water dat zich daar bevindt.

De schimmeldraden lijkt dus het water naar de plant te geleiden

Hiervan maakte de onderzoekers handig gebruik. Ze groeide planten in een pot met een scheidingswand. Door deze wand konden geen wortels groeien, maar wel schimmeldraden. Ze gaven de planten water met gelabeld water aan de kant van de scheidingswand waar alleen de schimmels bij konden komen. Hierna bestudeerde ze de planten. Planten die samenwerkte met de schimmels zweette twee keer zoveel als planten zonder helpende schimmels. Twee derde van het zweet van samenwerkende planten bestond uit het gelabelde water. Deze planten namen dus water op dat ze alleen met behulp van hun samenwerkende schimmel kon bereiken.

Vervolgens bestudeerde ze hoe de schimmel water naar de plant bracht. De onderzoekers kleurde het water aan de schimmel kant van de scheidingswant, gebruikmakend van een kleurstof die niet door het celmembraan heen kan. De onderzoeker zagen de kleurstof terug in de wortels. Maar ook aan de buitenkant van de schimmeldraden. De schimmeldraden lijkt dus het water vast te houden aan de buitenkant. Om zo het water naar de plant te geleiden.

Met behulp van de schimmels kan het water uit de minuscule gaatjes toch de plant bereiken. Zo helpen schimmels planten tijdens droogte aan water. Wanneer dit extra water kan het verschil maken tussen floreren of doodgaan.

Literatuur

Kakouridis, A., Hagen, J.A., Kan, M.P., Mambelli, S., Feldman, L.J., Herman, D.J., Weber, P.K., Pett-Ridge, J. and Firestone, M.K. (2022), Routes to roots: direct evidence of water transport by arbuscular mycorrhizal fungi to host plants. New Phytol. https://doi.org/10.1111/nph.18281