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

Aanraking: Liever niet

Aanraking: Liever niet

Een pad over een grasveld is herkenbaar door het kortere gras. Gras waar we vaak overheen lopen groeit langzamer. Het is een van het meest in het oog springende voorbeelden hoe planten reageren op herhaaldelijke aanraking. Daar houden ze niet zo van. Bovengronds gaan planten minder snel groeien, en bloeien ze later. Ondergronds verankeren ze zich steviger. Deze reactie begint bij het herkennen van herhaaldelijke aanraking.

Planten herkennen aanraking en druk met behulp van eiwitkanaaltjes en receptoren in celmembranen. De eiwitkanaaltjes laten een seintje door bij aanraking of druk op de cel. De receptoren geven bij aanraking of druk op de cel een boodschap door aan eiwitten in de cel. Onderzoekers uit Zweden zochten uit hoe planten reageren op lichte aanraking. Hierbij aaide ze met een penseeltje over een blad. Observeerden op gen niveau de reactie van de plant, welke genen gaan aan en welke uit. Vervolgens onderzochten ze welke eiwitten nodig zijn voor deze reactie. Dit waren er twee: Feronia en CAMTA.

Feronia voorkomt dat een plant langdurig langzamer groeit na een enkele aanraking

Feronia is een receptor, en geeft alleen zonder aanraking een boodschap mee. In dit geval de boodschap ‘doe niets, blijf uit’ voor de genen-aanzetters MYC2, 3, 4, en 5. Zo reageert de plant alleen op aanraking wanneer er aanraking is. Krijgen de MYC2, 3, 4, en 5 geen boodschap meer van Feronia dan gaan ze aan de slag. Ze zetten de genen aan die nodig zijn om op aanraking te reageren.

Naast Feronia was ook CAMTA noodzakelijk voor een reactie op aanraking. CAMTA is net zoals MYC2, 3, 4, en 5 een genen-aanzetter. Na een seintje waarschijnlijk afkomstig van een eiwitkanaaltje gaat CAMTA aan de slag, maar zet een andere groep genen aan, dan de MYC2, 3, 4, en 5 genenaanzetters. De onderzoekers ontdekte dat beide groepen genen noodzakelijk zijn voor uiteindelijke reactie op aanraking. Alleen als zowel CAMTA als MYC2, 3, 4, en 5 hun genen aanzetten gaat de plant langzamer groeien en later bloeien.

Een aanraking is vaak maar van korte duur, Feronia geeft MYC2, 3, 4, en 5 dan ook snel weer de opdracht: Doe niets, blijf uit! Dit voorkomt dat een plant langdurig langzamer groeit. Tenzij de aanraking keer op keer plaats vindt. Dan blijven de genen die MYC2, 3, 4, en 5 en CAMTA aanzetten actief, en vermindert de groei. Door steeds maar weer over hetzelfde gras te lopen, geven we de boodschap groei niet; een pad wordt zichtbaar.

Literatuur

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

Precisie insecticide

Precisie insecticide

Velden vol gewassen zijn een luilekkerland voor veel insecten. Ze eten de planten op. Niet iets waar de boer op zit te wachten. Het heeft een lagere oogst als gevolg. De meest effectieve oplossing: het doden van alle insecten met insecticiden. Toch willen we dit liever ook niet. Een dilemma voor de boer. Hoe zorgt hij ervoor dat hij alleen de schadelijke insecten dood?

Ideaal is om alleen een insect te doden die van een plant eet, en dus schadelijk zijn. Met dit idee in het achterhoofd, gingen wetenschappers op onderzoek uit. Op zoek naar precisie insecticide. Daarbij stuiten ze op een methode die organisme al gebruiken. Het specifiek uitzetten van genen door interfererende-RNA

Interfererende-RNA zijn kleine stukjes RNA die overeenkomen met een gen. Wanneer een gen aan staat, maakt de cel er een RNA-copy van, welke de cel vervolgens gebruikt voor het maken van het eiwit dat het gen codeert. Komt het RNA-copy een overeenkomend interfererende-RNA tegen, dan binden ze aan elkaar. Een teken voor de cel om het RNA-copy in stukjes te knippen, en het eiwit niet te maken. Hiermee kan je specifiek een gen uitzetten, omdat het kleine stukje RNA alleen bindt aan RNA dat precies overeenkomt. Wanneer het kleine stukje RNA overeenkomt met een gen dat essentieel is voor het organisme, dan gaat het organisme dood. Een geschikte methode dus om alleen die insecten te doden die de plant beschadigen.

Veel insecten knagen aan bladeren. Om deze te doden met de interfererende-RNA methode is het sproeien van de kleine stukjes RNA op het blad voldoende. Een speciale uitdaging zijn de sap-drinkende insecten. Deze insecten, lijken een beetje op vampieren, ze drinken het sap uit de vaatbundels van de plant. Kleine stukjes RNA om sap-drinkende insecten te doden moeten dus hier terecht komen, zodat de sap-drinkende insecten ze opdrinken. Deze uitdaging gingen onderzoekers uit Australië aan.

Om te beginnen, ontworpen ze kleine stukjes RNA om alleen de sap-drinkende witte vlieg te doden. Dit testen ze door de interfererende-RNA aan witte vliegen, bladluizen en bijen te voeren. Terwijl de witte vlieg doodging na het eten van deze kleien stukjes RNA bleven de nauw verwante bladluizen en bijen leven.

Vervolgens plakte de onderzoekers de kleine stukjes RNA aan zogenaamde BioClay deeltjes, minuscule korreltjes van magnesium en ijzer. Dit zorgt ervoor dat het RNA langer intact blijft. De aan BioClay gekoppelde RNA stukjes sproeide de onderzoekers samen met een hulpmiddel op het blad van een katoen plant. Het hulpmiddel zorgt ervoor dat de waterafstotende laag op het blad de RNA stukjes doorlaat. Zo hebben de RNA stukjes de kans om het blad binnen te dringen. En dat deden ze.

De onderzoekers zagen dat de kleine stukjes RNA in het blad zelf en in de vaatbundels kwamen. Witte vliegen die het sap van deze planten drinken gingen vaker dood dan witte vliegen die sap van controle planten dronken. Niet alleen dat, ook de eieren en nimfen van witte vliegen op planten behandeld met de aan de BioClay gekoppelde RNA stukjes gingen vaker dood dan die op controle planten.

Interfererende-RNA lijkt dus een precieze manier om insecten te bestrijden die gewassen oppeuzelen. Knagende insecten, maar ook sap-drinkende insecten kan je er specifiek mee doden. Een mogelijke uitweg voor de boer die liever alleen de insecten dood die zijn gewassen opeten.

Literatuur

Ritesh G. Jain, Stephen J. Fletcher, Narelle Manzie , Karl E. Robinson, Peng Li, Elvin Lu, Christopher A. Brosnan, Zhi Ping Xuand Neena Mitter (2022) Foliar application of clay-delivered RNA interference for whitefly control. Nature Plants, VOL 8, 535–548