Nieuwe manier om een plant immuun te maken

Nieuwe manier om een plant immuun te maken

Net als mensen krijgen planten te maken met ziektemakers. In tegenstelling tot mensen is het immuunsysteem van planten niet in staat zich aan te passen aan een nieuw virus, bacterie of schimmel. Een plant herkent de binnendringer of herkent deze niet. Dit gebeurt met behulp van receptoren die ziektekiemen detecteren. Heeft de plant de juiste receptor om de binnendringer te herkennen, dan slaat de plant snel alarm, en komt de binnendringer niet ver. Zonder juiste receptor heeft een virus, bacterie of schimmel vrij spel.

Tot nu toe hebben veredelaars weinig middelen om een plant van de juiste immuun-receptoren te voorzien. Dit kan of door de plant te kruizen met een plant die de gewenste immuun-receptor heeft. Of door de immuun-receptor zelf aan te passen, te tweaken. Dit tweaken gebeurt tot nu toe veel door in het ziektekiem herkennende deel van de receptor veranderingen aan te brengen. Dit kan ervoor zorgen dat de immuun-receptor een net iets andere ziektemaker herkent. Nu hebben onderzoekers uit Groot-Brittannië een andere methode laten zien, waarmee ze een immuun-receptor kunnen aanpassen voor elk potentieel ziektemaker.

Hierbij maken de onderzoekers gebruik van het immuunsysteem van dieren. Die laten ze antilichamen maken tegen de planten-ziektemaker. Net als elk ander antilichaam hebben deze antilichamen een niet-specifiek en een specifiek deel. Door het specifiek deel van het antilichaam te gebruiken om het ziektemaker-herkennend deel van de immuun-receptor te vervangen, kregen de onderzoekers een immuun-receptor die de ziektemaker herkent.

Om te testen of het werkt maakten de onderzoekers een immuun-receptor die een fluorescerend eiwit herkent. Na het inbrengen van deze fluorescerende eiwit herkennende immuun-receptoren in de plant, gaven de onderzoekers fluorescerende eiwitten aan de plant. Een immuun response in de vorm van celdood op de plaats van de fluorescerende eiwitten was het resultaat. Ook het aanbieden van een virus met fluorescerende eiwitten resulteerde in celdood zonder serieuze verspreiding van het virus.

Dit geeft planten veredelaars een potentieel nuttige techniek om planten te voorzien van resistentie tegen ziektekiemen. Twee dingen die we niet moeten vergeten. Ten eerste ook met de mogelijkheid om gericht de immuun-receptoren aan te passen duurt het vaak nog minimaal 5-10 jaar voordat de boer gebruik kan maken van de resistente gewassen. Ten tweede om de gewenste immuun-receptoren in de plant te krijgen is genetische modificatie nodig, wat niet overal zomaar toegestaan is.

Literatuur

Kourelis, J., Marchal, M., Kamoun, S. (2021) NLR immune receptor-nanobody fusions confer plant disease resistance. bioRxiv preprint doi: https://doi.org/10.1101/2021.10.24.465418

The ‘I am damaged’ fragrance

The ‘I am damaged’ fragrance

Plants communicate with the world via volatiles, which we can often smell. To attract insects is a well-known reason plants emit volatiles. Less well known is maybe that plants also emit volatiles when they are damaged. This creates the smell of freshly cut grass. For this it does not matter if the plants get damaged through insects or if the damage occurs mechanically. Both result in the emission of volatiles.

Plants emit a specific fragrance bouquet when they are damaged, one that says, ‘I am damaged’. Plants nearby observe these volatiles and prepare themselves for hungry insects. This makes plants more resistant to the attacking insects, for example because they attracted predatory insects.

Can farmers use this to protect their crops against hungry insects, Japanese researchers asked. For this they wanted to know two things. Firstly would it result in less damage through insects to the plants, rice in this case. But also if it influenced the yield.

To answer these questions, the researchers exposed rice seedlings to volatiles of damaged weeds that they found nearby. The result, exposure to ‘I am damaged’ fragrance resulted in less leaves being eaten by insects.

But that not alone, exposed plants also had an increased yield. They produced more rice grains. The perception of the ‘I am damaged’ fragrance helped plants against their war against hungry insects.

Unfortunately, this research does not show if the ‘I am damaged’ fragrance is an alternative for the currently used plant protection methods. The use of insect killing insecticides allows plants not to put energy towards protecting themselves against insects. In theory, plants can then use all their energy towards growth, seed and fruit production. Therefore, it is important to investigate how this energy allocation in occurs in the field. Is this worse in the currently used methods then exposure to the ‘I am damaged’ fragrance is a useful additional, one that might result in less use of insecticides.

Literature

Shiojiri, K., Ozawa, R., Uefune, M., Takabayashi, J. (2021) Field-Grown Rice Plants Become More Productive When Exposed to Artificially Damaged Weed Volatiles at the Seedling Stage. Frontiers in Plant Science 12:1419 

Het ‘Ik ben beschadigt’ geur boeket

Het ‘Ik ben beschadigt’ geur boeket

Planten communiceren met de wereld met behulp van vluchtige stoffen. Wij mensen kunnen die vaak ruiken. Een bekende rede voor planten vluchtige stoffen uit te scheiden is het lokken van insecten. Minder bekend is misschien is dat planten ook vluchtige stoffen uitscheiden als ze beschadigt raken. Dit zorgt voor de geur van vers gemaaid gras. Het maakt niet uit hoe de beschadiging tot stand komt, zowel beschadiging door blad etende insecten als mechanisch veroorzaakte beschadiging resulteert in het uitscheiden van vluchtige stoffen.

Planten scheiden een specifiek boeket aan vluchtig stoffen uit na beschadiging, een dat zegt ‘ik ben beschadigt’. Andere planten in de omgeving nemen deze stoffen waar en bereiden zich al vast voor op vraatzuchtige insecten. Dit maakt planten beter bestand tegen een aanval, bijvoorbeeld omdat ze insectenetende insecten hebben aangetrokken.

Japanse onderzoekers vroegen zich af of boeren dit kunnen gebruiken bij het beschermen van hun gewassen tegen vraatzuchtige insecten. Hierbij wilde ze twee dingen weten. Ten eerste eten insecten de planten, rijst in dit geval, minder op. Maar ook of deze vorm van bescherming tegen insecten de oogst beïnvloed.

Om antwoord te krijgen, stelde de onderzoekers rijst zaailingen bloot aan de vluchtige stoffen van beschadigd onkruid dat in de buurt groeide. Het gevolg, blootstelling aan de ‘ik ben beschadigt’ vluchtige stoffen resulteerde in minder aangevreten bladeren.

Niet alleen was de beschadiging aan de bladeren minder, ook opbrengst van de blootgestelde planten was hoger. Ze produceerde meer rijstkorrels. Het ontvangen van de‘ik ben beschadigt’ geur helpt planten dus met hun strijd tegen vraatzuchtige insecten.

Dit onderzoek laat helaas niet zien of blootstelling aan de ‘ik ben beschadigt’ geur ook een alternatief is voor de huidige bestrijdingsmethoden. Bij het gebruik van insect dodende insecticiden hoeven de planten geen energie te steken in de verdediging tegen insecten. In theorie kunnen die planten dus al hun energie steken in groei, zaad en vrucht productie. Het is dus van belang om te kijken hoe die energieverdeling in de praktijk uitpakt. Is die in het nadeel van de huidige bestrijdingsmethoden dan kan blootstelling aan de ‘ik ben beschadigt’ geur een toevoeging zijn die kan leiden tot verminderd gebruik van insecticiden.

Literatuur

Shiojiri, K., Ozawa, R., Uefune, M., Takabayashi, J. (2021) Field-Grown Rice Plants Become More Productive When Exposed to Artificially Damaged Weed Volatiles at the Seedling Stage. Frontiers in Plant Science 12:1419 

Natural variation in the wild

Natural variation in the wild

In general, researchers want to have as much control over their experiments as possible. This helps to say with certainty that the effect they see is due to the treatment they gave. The more variation during experiments, the less certain they are they can point to the cause of the effect. But sometimes more variation is needed to learn how things work in the wild.

A good example of this is the recently published research of English and Swedish researchers. They looked at how natural variation influences flowering time in tale cress (Arabidopsis). A lot is already known about how tale cress does this. In short, the product of the gene FLC stops flower development, and a period of cold is needed to completely shut down FLC production.

The shutdown of FLC occurs on the DNA. By throwing up blockades on the gene sequence of FLC, it becomes impossible to read the FLC gene. Blockades are not only on the part of the FLC gene that is coding for the protein, but also on the part of the gene that is not coding for the protein. In this study researchers looked how the non-protein coding parts of the FLC gene influence the shutdown of FLC, and thus flowering time.

In controlled lab conditions researchers could divide plants that were only different in their non-coding part of FLC in two groups. A group that turns off FLC quickly and a group that is slow in turning off FLC in response to cold (5°C). The question was, however, what is the influence of this natural variation in the wild? To find out, researchers studied tale cress (Arabidopsis) that were either quick or slow in turning off FLC, growing the plants out in the open in three different locations: in North-Sweden, South-Sweden and in Norwich in England.

When the researchers only looked when the plants start flowering after winter, they hardly saw a difference between the slow and quick FLC turning off plants. But in the warm autumn a difference was seen. Before the start of winter, the plants that were quick in turning off FLC started already making flowers.

To find out why, the researchers zoomed in on FLC, and how much it was still on. They did this at different times between germinating and the start of flowering. Thereby they found, that already by the first measurement there was variation in how much FLC was still on, this was seen on all locations. In the slightly warmer Norwich, the researchers also saw that the shutdown of FLC happens in two phases. First FLC is slowly shut down, but 50 days after germination the rate with which FLC is shut down increases. This increase in shut down rate appeared to occur when the cold activates the gene VIN3. VIN3 helps with throwing up blockades on the DNA of the FLC gen, and thus with the shutdown of FLC.

In both the slow and quick FLC turning off plants the shutdown of FLC by VIN3 occurs at the roughly the same rate. The difference between the slow and quick FLC shut down plants, researchers found, was in what they called ‘autumn expression’ of FLC. This is the total effect of how much FLC is initially turned on, and how quickly FLC is turned off in a VIN3-independent way. In a warm autumn this can result in plants, that are too quick in turning off FLC, whereby FLC is already turned off before the first cold days, and starts developing flowers in autumn.

The temperature variations from outside the lab enabled the discovery  of the effect of ‘autumn expression’. The chance of discovering this in a lab environment is small due to the standardised setting of growing plants. Sometimes you do not need more but less control to observe the effect.

Literature

Hepworth, J., Antoniou-Kourounioti, R.L., Berggren, K., Selga, C., Tudor, E.H., Yates, B., Cox, D., Collier Harris, B.R., Irwin, J.A., Howard, M., Säll, T., Holm, S., Dean, C. (2020) Natural variation in autumn expression is the major adaptive determinant distinguishing Arabidopsis FLC haplotypes. eLife 2020;9:e57671