Licht zet planten in beweging

Licht zet planten in beweging

Licht, de belangrijkste energiebron van de plant. Ze kunnen er niet altijd even makkelijk bij. Verankerd in de grond, stappen planten niet uit de schaduw het licht in. Dat wil niet zeggen dat ze niet naar het licht rijken. Dat doen ze. En wel door hun bladeren meer om hoog te tillen. Zo zorgen ze ervoor dat hun bladeren boven die van hun buren uitkomen, en ze dus meer licht ontvangen.

Licht is zo belangrijk, dat planten constant monitoren hoeveel ervan binnenkomt. Ze hebben hiervoor speciale fotoreceptoren. Schaduw, veroorzaakt door andere planten, verschuift de verhouding van het soort licht dat deze fotoreceptoren opvangen van rood naar ver-rood. De schaduw werpende bladeren hebben het rode licht opgenomen, om te gebruiken voor fotosynthese. Het waargenomen ver-rode licht niet. En dit laat de plant weten dat het in de schaduw staat.

Onderzoekers uit Utrecht onderzochten de invloed van meer ver-rood licht op een plant. Ze zagen dat na het schijnen van ver-rood licht op de punt van een blad, de plant dit blad omhoogtilt.  Na het schijnen van ver-rood licht was lokaal de productie van het plant hormoon auxin verhoogd. Met het aanbrengen van auxin op de tip van het blad konden onderzoekers de plant het blad omhoog laten tillen. De lokale productie van auxin na het waarnemen van meer ver-rood licht is dus noodzakelijk voor de reactie.

Met behulp van de auxin transporter PIN3 verplaatst auxin van de punt van het blad naar de abaxiale kant, de onderkant, van de stengel. Hier zagen de onderzoekers dat auxin de expressie van genen van de gibberellin synthese verhoogd. Het is de combinatie van auxin en gibberellin dat ervoor zorgt dat de cellen aan de abaxiale kant van de stengel zich uitstrekken. Doordat de cellen aan de bovenkant van de stengel vervolgens korter zijn dan die aan de onderkant, krult de stengel omhoog. Om zo het blad boven de schaduw uit te tillen.

Literatuur

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

Nu gepubliceerd 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

Caught in the moment

Caught in the moment

Evolution, a slow process, difficult to see in action. Often it is so slow, only after a long time, you notice something has changed. Then, try finding out what caused the change. Sometimes, however, it is at once clear something has changed. An organ or a limp is missing, misplaced, or multiplied. A so-called homeotic mutation occurred. This is a mutation in a gene that has a crucial role early in organ or limp development. Often these are not to stay in the population, but sometimes they do. Such as for a variant of the Colorado blue columbine (Aquilegia coerulea).

Flowers of the Colorado blue columbine have five purple sepals, each with a yellow tip at the edge. Inside these there are five white petals with long purple tubular nectar spurs. And in the middle, there are the stamens with bright yellow pollen. Remarkable flowers pollinated by hawkmoths and bumblebees. A variant of the Colorado blue columbine, the daileyae, lacks the white nectar holding petals. In its place it has five purple sepals. This variant was first spotted in 1897, and now over 100 years later it is still there and thriving.

Researchers from California decided to unravel the success of daileyae. First, they found out why this variant is thriving. As pollinators miss their nectar treat, it was expected that they would not visit daileyae. The researchers actually found the opposite was true, both bumblebees and hawkmoths visited the normal and daileyae variant just as often. Individual pollinators did not have a preference, visiting both the normal and daileyae variants.

The big difference was spotted in the number of flowers with herbivory damage. Aphids, caterpillars, but also deer like Colorado blue columbine flowers. With both aphids and deer, having a sweet tooth, preferring the normal Colorado blue columbine flowers. There are just more daileyae flowers leftover that can set seeds.

Secondly the researchers analysed which gene and which mutation caused the daileyae variant. The gene APETALA3-3 is required for sepal development. Daileyae APETALA3-3 has a loss-of function mutation that turns off the gene. This causes the sepals to develop as petals. It turned out that in the daileyae population there were four different types of loss-of-function mutations in the APETALA3-3 gene. But with each APETALA3-3 allele has only one type of loss-of-function mutation. These loss-of-function mutations did not only show up in the daileyae population, but the normal Colorado blue columbine plants could in addition to a functional also have a loss-of-function APETALA3-3 copy.

Evolution is still in action. With a clear positive selection pressure for the daileyae Colorado blue columbine. But which of the four loss-of-function mutations in APETALA3-3 will get to dominate the population is still undecided. Also, pollination between the normal and the new Colorado blue columbine variants still occur. Does the daileyae variant take over, or do both variants find their own nice? The race is not finished yet, evolution is in full swing.

Literature

Cabin, Z., Derieg, N.J., Garton, A., Ngo, T., Quezada, A., Gasseholm, C., Simon, M., Hodges, S.A. (2022) Non-pollinator selection for a floral homeotic mutant conferring loss of nectar reward in Aquilegia coerulea. Current Biology DOI: https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.01.066

Gevangen in het moment

Gevangen in het moment

Evolutie, een langzaam proces dat moeilijk in actie te zien is. Vaak zo traag dat het pas na lange tijd duidelijk is dat er iets veranderd. En probeer dan maar eens uit te zoeken wat de achterliggende oorzaak was. Maar soms is het in een klap duidelijk, iets is anders. Een orgaan of ledemaat is weg, zitten ergens anders, of is vermenigvuldigd. Er heeft een zogenoemde homeotische mutatie plaats gevonden. Dit is een mutatie in een gen dat een cruciale rol heeft in vroeg in de ontwikkeling van het orgaan of ledemaat. Vaak geen blijvertje in de populatie, maar soms wel. Zo ook voor een variant van akelei (Aquilegia coerulea).

Akelei bloemen hebben vijf paarse kelkbladeren elk met een geel puntje aan het uiteinde. Daarbinnen zitten vijf witte kroonbladeren met elk een lange paarse buisvormige nectar spoor. Met helemaal in het midden de stuifmeeldraden met gele stuifmeelkorrels. Zowel haviksmotten als hommels verzorgen de bestuiving van deze bloemen. Een variant van akelei, daileyae, mist de witte nectar bevattende kroonbladeren. Daarvoor in de plaats zitten er vijf paarse kelkbladeren. De variant was voor het eerst gespot in 1897, en nu ruim honderd jaar later is deze er nog steeds en breid zich gestaagd uit.

Onderzoekers uit Californië besloten het succes van daileyae te ontrafelen. Als eerste onderzochte ze waarom deze variant het zo goed doet. De bestuivers moeten hun nectar maaltje missen, dus de verwachting was dat die niet meer kwamen. De onderzoekers zagen echter het tegenovergestelde. Zowel de hommels als de haviksmotten bezochten normale en de nieuwe variant van akelei even vaak. Ook individuele bestuivers maakte geen onderscheid tussen de twee bloemen en gingen gerust van normaal naar variant en weer terug.

Het grote verschil zat hem echter in de hoeveelheid aangevreten bloemen. Bladluizen, rupsen, maar ook herten vinden akelei bloemen lekker. Zowel bladluizen als herten zijn zoetekauwen en geven de voorkeur aan normale akelei bloemen. Er blijven dus meer daileyae akelei bloemen over om voor nakomelingen kunnen zorgen.

Ten tweede onderzochten ze welk gen en welke mutatie voor de nieuwe variant zorgde. Het gen APETELA3-3 is nodig voor de ontwikkeling van kroonbladeren. APETALA3-3 van de daileyae variant heeft een mutatie die het gen uitschakelen. Dit zorgt ervoor dat de kroonbladeren zich ontwikkelen als kelkbladeren. Wat bleek in de daileyae populatie zijn meerdere APETALA3-3 uitschakelende mutaties, vier in totaal. Maar per APETALA3-3 allel was er maar een gen-uitschakelende mutatie. Deze gen-uitschakelende mutaties waren er niet alleen in de daileyae populatie, ook normale akelei planten konden naast een werkend ook een niet werkend APETALA3-3 allel hebben.

Evolutie is nog volop in actie. Met een duidelijke positieve selectiedruk voor daileyae akelei. Maar welke van de vier mutaties APETALA3-3 uitschakelende mutaties de uiteindelijke overhand krijgt is nog niet beslist. Ook vindt er nog kruisbestuiving tussen de normale en de nieuwe akelei variant plaats. Neemt de daileyae variant het over van de normale variant, of vinden de normale en nieuwe variant ieder hun eigen weg? De race is nog niet gelopen, evolutie is nog volop in gang.

Literatuur

Cabin, Z., Derieg, N.J., Garton, A., Ngo, T., Quezada, A., Gasseholm, C., Simon, M., Hodges, S.A. (2022) Non-pollinator selection for a floral homeotic mutant conferring loss of nectar reward in Aquilegia coerulea. Current Biology DOI: https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.01.066

Grafting: Now also possible for banana trees

Grafting: Now also possible for banana trees

Grafting, connecting and fusing a part of one plant with the stem on another plant, is a widespread method used by growers. It allows to combine preferred traits. Such as disease resistance or having a strong root system and the ideal hight or fruit production.

That two plants can fuse in this way, and still produce seeds is enabled by the growing points of a plant. In dicot plants, like tomato or apple, these growth regions are located at the outer ends of the plant. This allows that a removed part of the plant continues to grow as long it is provided with nutrients. Monocot plants, like wheat or banana trees, have their growth region at the bottom of the stem. This made it impossible to graft monocot plants.

Up till now. Researchers showed that it is indeed possible. First, they found out which part of the growth region was needed. It turned out that it was the stem-growth region of an immature plant embryo that was required. Swapping these with one of another plant resulted in a plant that looked like a non-grafted plant. But not only that, grafting wheat the researchers showed that the communication between the two parts of these grafted plants is similar to that of non-grafted plants.

This method of grafting monocot plants is not only working for crops like wheat or rice, but also for other monocots like bananas, pineapples, and palm trees. And this is something that growers can really use. So that also for those plants they can also use the ideal combination of traits to protect the plant against diseases while keeping the fruit we all love.

Literature

Reeves, G., Tripathi, A., Singh, P., Jones, M.R.W., Nanda, A.K., Musseau, C., Craze, M., Bowden, S., Walker, J.F., Bentley, A.R., Melnyk, C.W. and Hibberd, J.M. (2022) Monocotyledonous plants graft at the embryonic root–shoot interface. Nature 602, 280–286 doi.org: 10.1038/s41586-021-04247-y