Rekenende planten

Rekenende planten

Planten zijn cool. Op zich is alleen al het omzetten van zonlicht in suiker al reden genoeg hiervoor. Maar planten kunnen zo veel meer dan dat. Een eigenschap van planten die ik echt verbazingwekkend vind is hun vermogen om de snelheid van de omzetting van zetmeel aan te passen.

Van al het zonlicht dat planten omzetten in suiker bewaren planten de helft als zetmeel. Dit zetmeel zetten planten s’ nachts weer om in suikers om te kunnen gebruiken als energie. Dit omzetten van zetmeel gebeurt zo dat gedurende de nacht ongeveer evenveel suiker beschikbaar komt. En de snelheid waarmee dit gebeurt hangt af van de hoeveelheid zetmeel dat beschikbaar is, en van de lengte van de nacht. Is de nacht langer dan gaat de snelheid omlaag, is er meer zetmeel beschikbaar, dan verhoogd de snelheid waarmee suiker vrijkomt. Planten kunnen dus berekenen hoe snel ze s’ nachts zetmeel moeten omzetten in suiker.

Om aan te geven hoe verbazingwekkend dit is, beeld eens in dat je een voorraad over een aantal dagen moet verdelen zodat iedere dag evenveel beschikbaar is. Je moet dus weten hoe groot de voorraad is, en hoeveel dagen je met de voorraad moet doen. Wij mensen kunnen de getallen door elkaar delen, en de uitkomst daarvan opschrijven als geheugensteuntje om te weten hoeveel we elke dag van de voorraad mogen gebruiken. Planten, en meer specifiek plantencellen kunnen dat niet, ten minsten niet zoals wij mensen dat doen. Die hebben dus een andere manier om dit te berekenen.

Onderzoekers uit Engeland zoeken uit hoe de plant dit doet. Een eerste aanwijzing vonden ze in planten die het eiwit ESV1 missen. Deze planten hebben moeite om een zetmeel voorraad aan te leggen, omdat ze gevormde zetmeel makkelijk weer afbreken. Zelfs overdag, wanneer suiker volop aanwezig is zetten deze ESV1 missende planten zetmeel om in suiker. Het zetmeel in deze planten blijkt toegankelijker te zijn opgeborgen, de zetmeel afbrekende enzymen kunnen er dus makkelijker bij. Toegankelijkheid beperken, door zetmeel ontoegankelijker te maken voor afbreekenzymen is dus een vereiste voor het gelijkmatig omzetten van zetmeel in suiker.

Onlangs hebben de onderzoekers een tweede aanwijzing gevonden. Dit keer aan de hand van een mutatie in het enzym bèta-amylase 1. Bèta-amylase 1 is een van de enzymen die zetmeel omzet in suiker. Het interessante aan de gevonden mutatie in bèta-amylase 1 is dat deze niks aan de activiteit van het enzym zelf veranderd. De snelheid van zetmeel in suiker omzetten is nog even groot. Toch gaan planten met de gevonden mutatie sneller door hun zetmeel voorraad heen.

De onderzoekers denken dat het komt omdat er iets veranderd is aan de samenwerking tussen bèta-amylase 1 en LSF1, een eiwit dat enzymen helpt zetmeel te vinden. Wanneer bèta-amylase de gevonden mutatie heeft lijkt deze samenwerking ervoor te zorgen dat zetmeel beter vindbaar of toegankelijk is. Dit blijkt vooral omdat wanneer de gemuteerde bèta-amylase aanwezig is maar LSF1 afwezig planten hun voorraad zetmeel s’ nachts wel gelijkmatig omzetten. Ook bij afwezigheid van bèta-amylase 1 is de zetmeel omzetting in suikers normaal. Dit suggereert dat de samenwerking tussen bèta-amylase 1 en LSF1 de toegang tot zetmeel reguleert.

Hoe de samenwerking tussen bèta-amylase 1 en LSF1 precies gaat weten de onderzoekers nog niet. Het is dus ook nog niet bekend wat er precies veranderd aan die samenwerking wanneer de gevonden mutatie aanwezig in bèta-amylase 1 aanwezig is. Wel brengt deze ontdekking de onderzoekers een stapje dichter bij het antwoord op de vraag hoe planten de snelheid van het omzetten van zetmeel in suiker aanpassen aan de omstandigheden. Maar ook zonder te weten hoe, blijft het verbazingwekkend dat planten kunnen rekenen.

Literatuur

Doreen Feike, Marilyn Pike, Libero Gurrieri, Alexander Graf, Alison M Smith (2022) A dominant mutation in β-AMYLASE1 disrupts nighttime control of starch degradation in Arabidopsis leaves. Plant Physiology, Volume 188, Issue 4, Pages 1979–1992, https://doi.org/10.1093/plphys/kiab603

Doreen Feike, David Seung, Alexander Graf, Sylvain Bischof, Tamaryn Ellick, Mario Coiro, Sebastian Soyk, Simona Eicke, Tabea Mettler-Altmann, Kuan Jen Lu, Martin Trick, Samuel C. Zeeman, Alison M. Smith (2016) The Starch Granule-Associated Protein EARLY STARVATION1 Is Required for the Control of Starch Degradation in Arabidopsis thaliana Leaves. The Plant Cell, Volume 28, Issue 6, Pages 1472–1489, https://doi.org/10.1105/tpc.16.00011

Antonio Scialdone, Sam T Mugford, Doreen Feike, Alastair Skeffington, Philippa Borrill, Alexander Graf, Alison M Smith, Martin Howard. (2013) Arabidopsis plants perform arithmetic division to prevent starvation at night. eLife 2:e00669 doi: 10.7554/eLife.00669

A balance between water and energy

A balance between water and energy

For a plant photosynthesis is of vital importance. The conversion of CO2 into glucose creates energy, for living, growing, and multiplying. CO2 enters the plant via stomata, pores, located at the underside of the leaf. Photosynthetic rest product oxygen, as well as water, leaves the plant via stomata. It is thus important that the stomata are open during the day. But in a drought, when there is a shortage of water, the stomata need to close. But then no photosynthesis can occur. Therefore, stomata opening and closing requires tight regulation. Researchers from Sweden discovered how the plant manages this.

When there is no drought, the clock protein ZEITLUPE regulates the opening of the stomata. In the evening, when there is lots of ZEITLUPE protein, the stomata close, and in the morning, when the amount of ZEITLUPE is reduced, the stomata open again. But during a drought, the drought protocol starts working, leaded by the manager: ABA, a plant hormone. ABA convinces ZEITLUPE to let the stomata close earlier in the day. ABA does this by inhibiting the breakdown of the stomata closing protein OST1. This enables OST1 to work together with ZEITLUPE, together they close the stomata earlier.

The researchers noticed that this was not the whole story. As clock protein ZEITLUPE works together with ABA to prevent evaporation, another clock protein, PRR5, tries to stop them, so photosynthesis can go ahead. PRR5 also interacts with OST1, but in contrast to ZEITLUPE, PRR5 prevents OST1 to do its job of closing the stomata. They stay open, so CO2 for photosynthesis can enter.

The amount of ZEITLUPE and PRR5 is changing in daily rhythm, each peaking at a different time of day. In this way photosynthesis can go on during a drought. But absence of PRR5 might cause a plant to die due to lack of energy during a drought. Absence of ZEITLUPE, on the other hand, increases dead through dehydration. With both ZEITLUPE and PRR5 there is a balance between energy production and water evaporation.

Literature

Jurca M, Sjölander J, Ibáñez C, Matrosova A, Johansson M, Kozarewa I, Takata N, Bakó L, Webb AAR, Israelsson-Nordström M and Eriksson ME (2022) ZEITLUPE Promotes ABA-Induced Stomatal Closure in Arabidopsis and Populus. Frontiers in Plant Science 13:829121. doi: 10.3389/fpls.2022.829121

Read more about stomata in: Light lets plants breathe

Een balans tussen water en energie

Een balans tussen water en energie

Fotosynthese is van levensbelang voor een plant. Het omzetten van CO2 in glucose zorgt voor energie, om te leven, te groeien en om voor te planten. CO2 komt de plant binnen via huidmondjes, ook wel stomata genoemd, aan de onderkant van de bladeren. Fotosynthese rest product zuurstof verlaat de plant via stomata, net zoals water. Het is dus van belang dat gedurende de dag, wanneer fotosynthese plaats vindt, de stomata open zijn. Maar is er spraken van droogte en dus een te kort aan water, dan moeten de stomata dicht. Alleen kan er dan geen fotosynthese plaatsvinden. Dit moet dus goed gereguleerd worden. Onderzoekers uit Zweden hebben ontdekt hoe de plant dit doet.

Wanneer er geen spraken is van droogte dan reguleert het klok eiwit ZEITLUPE de opening van de stomata. In de avond, wanneer er veel ZEITLUPE eiwit is sluiten de stomata, en in de ochtend, wanneer de hoeveelheid ZEITLUPE is afgenomen openen de stomata weer. Maar bij droogte treedt het droogte protocol in werking, onder leiding van manager: ABA, een plant hormoon. ABA overtuigt ZEITLUPE ervan om de stomata eerder te laten sluiten. ABA doet dit door de afbraak van het stomata sluitende eiwit OST1 tegen te gaan. OST1 kan dan met ZEITLUPE samenwerken, wat resulteert in een eerdere sluiting van de stomata.

De onderzoekers zagen dat dit niet het hele verhaal was. Waar klok eiwit ZEITLUPE samenwerkt met ABA tegen water verdamping, werkt een ander klok eiwit, PRR5, hun tegen om de fotosynthese door te kunnen laten gaan. Ook PRR5 kan aan OST1 binden, maar in tegenstelling tot ZEITLUPE zorgt PRR5 ervoor dat OST1 de stomata niet kan sluiten. Ze blijven dus open om CO2 binnen te laten voor fotosynthese.

De aanwezigheid van zowel ZEITLUPE als PRR5 oscilleert met een dagelijks ritme, met elk een piek en een dal, die niet samenvallen. Dit zorgt ervoor dat ook tijdens het droogte protocol fotosynthese kan doorgaan. Was PRR5 afwezig geweest, en was de plant gestorven door gebrek aan energie. Terwijl de afwezigheid van ZEITLUPE sterfte door uitdroging vergroot. Met zowel PRR5 en ZEITLUPE is er dus een balans tussen energie toevoer en waterverdamping.

Literatuur

Jurca M, Sjölander J, Ibáñez C, Matrosova A, Johansson M, Kozarewa I, Takata N, Bakó L, Webb AAR, Israelsson-Nordström M and Eriksson ME (2022) ZEITLUPE Promotes ABA-Induced Stomatal Closure in Arabidopsis and Populus. Frontiers in Plant Science 13:829121. doi: 10.3389/fpls.2022.829121

Lees meer over stomata in: Licht laat planten ademen

Light makes plants move

Light makes plants move

Light, the most important energy source for a plant. It is not always easily accessible. Anchored in the ground, plants can not step out of the shadow and into the light. But that is not to say that they don’t try to reach for the light. They do. By moving their leaves upwards. In this way plants tilt their leaves above those of their neighbours, receiving more light themselves.

Light is so important, that plants constantly measure how much there is. For this they have specific photoreceptors. Shade, caused by other plants, changes the amount of red vs far-red light photoreceptors receive. The shadow causing leaves absorb the red light for their own photosynthesis. But not the far-red light. Letting the plant know it is in the shade.

Researchers for Utrecht studied the effect of receiving more far-red than red light. After exposing a leave-tip to far-red light they noticed that the plant tilts the leave higher. Also, after exposing the leave-tip to far-red light, the production of the plant hormone auxin increased. Checking if auxin is needed for the response, they applied auxin on the leave-tip. The plant moved the leave higher. Indicating that the local production of auxin is required for this response.

Auxin moves, with help of the auxin transporter PIN3, specifically from the leave-tip to the abaxial side, the underside, of the leafstalk. In the leafstalk, the researchers noticed, auxin activates the expression of gibberellin synthesis genes. It is the combination of auxin and gibberellin that causes cells at the abaxial side of the leafstalk to stretch. Resulting in shorter cells at the top and longer cells at the underside, curling the leafstalk upwards. Moving the leave above the shadow.

Literature

Küpers, J.J., Snoek, B.L., Oskam, L., Pantazopoulou C.K., Matton, S.E.A., Reinen, E., Liao, C.-Y., Eggermont, E.D.C., Weekamp, H., Kohlen, W., Weijers, D., Pierik, R. (2022) Local light signalling at the leaf tip drives remote differential petiole growth through auxin-gibberellin dynamics. bioRxiv 2022.02.25.481815; doi: https://doi.org/10.1101/2022.02.25.481815

Now published in

Küpers, J.J., Snoek, B.L., Oskam, L., Pantazopoulou C.K., Matton, S.E.A., Reinen, E., Liao, C.-Y., Eggermont, E.D.C., Weekamp, H., Biddanda-Devaiah, M.,  Kohlen, W., Weijers, D., Pierik, R. (2023) Local light signaling at the leaf tip drives remote differential petiole growth through auxin-gibberellin dynamics, Current Biology (2022), https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.11.045