Natuurlijke variatie in het wild

Natuurlijke variatie in het wild

In het algemeen willen onderzoekers zoveel mogelijke controle hebben over hun experimenten. Dit helpt om met zekerheid te kunnen zeggen dat een effect dat ze zien er is vanwege de behandeling die ze toegepasten. Hoe meer variatie in de omstandigheden, hoe minder zeker ze ervan kunnen zijn van de oorzaak van het effect. Maar soms heb je meer variatie nodig om te leren hoe iets werkt in het echte leven.

Een goed voorbeeld hiervan is het recent verschenen onderzoek van Engelse en Zweedse onderzoekers. Hierbij keken ze naar hoe natuurlijke variatie het moment van bloeien beïnvloed in de zandraket (Arabidopsis). Over hoe de zandraket beslist om te gaan bloeien is al veel bekend. In het kort, het product van het gen FLC houdt de bloei tegen, en een periode van kou is nodig om FLC voorgoed uit te schakelen.

De uitschakeling van FLC gebeurt op het DNA. Door hierop blokkades op te werpen lukt het niet meer om FLC af te lezen. Deze blokkades komen op het gedeelte van het FLC gen dat het FLC eiwit codeert, maar ook op delen van het FLC gen dat niet codeert voor eiwitten. In dit onderzoek keken onderzoekers hoe de niet-eiwit-coderende delen van het FLC gen de uitschakeling van FLC, en dus het moment van bloeien beïnvloed.

Gecontroleerde condities in het lab lieten zien dat je planten die alleen verschillen in hun niet-eiwit-coderende gedeelte van FLC in twee groepen kunt delen. Een groep die FLC snel en een groep die FLC langzaam uitschakelt in reactie op kou (5°C). De vraag was echter: wat is de invloed van deze natuurlijk variatie in het wild? Hiervoor bestudeerde de onderzoekers snelle en langzame FLC uitschakelende zandraketten die ze groeide op drie verschillende locaties: noord-Zweden, zuid-Zweden en Norwich in Engeland.

Keken ze alleen op het moment van bloeien na de winter, dan bleek dat er nauwelijks verschil was tussen de snelle en langzame FLC-uitschakelaars. Maar, de onderzoekers zagen in een warme herfst wel een verschil. De snelle FLC-uitschakelaars begonnen al met het maken van bloemen voor de winter.

Om te ontdekken waarom zoemde ze in op in hoeverre FLC nog aan stond. Dit deden ze op verschillende momenten tussen ontkieming en het begin van het bloeien. Dit liet zien dat, op alle locaties, er al op het eerste meetmoment variatie in de hoeveelheid FLC was. Daarnaast lieten de metingen van de planten in het iets warmere Norwich zien dat FLC eerst langzaam uitgaat, en dat na 50 dagen na ontkieming er een versnelling in FLC uitschakeling is. Deze versnelling bleek samen te hangen met de door kou geactiveerde VIN3 gen. VIN3 helpt met het opwerpen van de blokkades op het FLC gen, en dus het uitschakelen van FLC.

In zowel de snelle als langzame FLC-uitschakelaars is de FLC uitschakeling door VIN3 ongeveer even snel. Het verschil tussen de snelle en langzame FLC-uitschakelaars, zo stellen de onderzoekers, zit echter in wat zij de ‘najaarsexpressie’ van FLC noemen. Dit is het opgetelde effect van in hoeverre FLC in eerste instantie aanstaat en hoe snel deze weer uitgaat zonder hulp van VIN3. Dit kan ervoor zorgen dat in een warme herfst de snelle FLC-uitschakelaars iets te snel zijn, waardoor FLC al uit is voordat de winter begint, en de plant al in de herfst begint met het maken van bloemen. De temperatuurschommelingen van buiten het lab zorgde voor ontdekking van het effect van de ‘najaarsexpressie’. Dit was waarschijnlijk minder snel gelukt in een lab setting, waar planten groeien in een gestandaardiseerde omgeving. Soms heb je dus niet meer maar minder controle nodig om het effect te zien.

Literatuur

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

Germinating with FLOE1

Germinating with FLOE1

Cool, that is what you can call the latest research in seed germination. Researchers found that when water is taken up by a seed, a prion-like protein is separating itself, in a kind of gel, from the rest of the cell.

Seeds have the remarkable property that they can survive long periods, years and sometimes even millennia, of drought. As if they are in a deep sleep. Water is the prince that kisses them awake. The uptake of water starts the processes that leads to germination. Although a seed can survive multiple rounds of hydration-dehydration, when the process of germination has started there is no way back. Therefore, it is important to know for sure that there is enough water.

American researchers set out to find how seeds decide that there is enough water. This led them to the above-mentioned prion-like protein, which they called FLOE1. When a seed is in a dry environment, FLOE1 is equally distributed throughout the cells. However, by contact with water something strange happens. Then FLOE1 is clustering together, without further interaction. Dries the seed out, then FLOE1 is everywhere again. FLOE1 is not degraded when it comes in contact with water but separates itself from the rest of the cell. Salt water is having the same effect on FLOE1 as a dry environment. Showing that FLOE1 is a measurement of the amount of available water.

Seeds without FLOE1 are more likely to germinate in a dry or salty environment. And having a FLOE1 that is slightly different can cause seeds to germinate quicker or slower in dry and salty environments. This can be an advantage, for example in an environment where the first sign of water always means that more is coming. In that case, a plant germinating early has an advantage over the rest. But in an environment where water is unpredictable, a quick germination is disadvantageous. The knowledge of this cool research, about which variation of FLOE1 causes quick or slow germination is important for plant breeders. They can use it to develop plants that are better suited to the effects of climate change.

Literature

Dorone, Y., Boeynaems, S., Flores, E., Jin, B., Hateley, S., Bossi, F., Lazarus, E., Pennington, J.G., Michiels, E., De Decker, M., Vints, K., Baatsen, P., Bassel, G.W., Otegui, M.S., Holehouse, A.S., Exposito-Alonso, M., Sukenik, S., Gitler, A.D., Rhee, S.Y. (2021) A prion-like protein regulator of seed germination undergoes hydration-dependent phase separation. Cell.

Ontkiemen met FLOE1

Ontkiemen met FLOE1

Cool zo kun je de laatste resultaten in onderzoek naar zaad ontkieming wel noemen. Onderzoekers vonden dat wanneer een zaad water op neemt, een op een prion-lijkend eiwit zich dan, in een soort van gel, onttrekt van de rest van de cel.

Zaden bevatten de opvallende eigenschap dat ze lange periodes van droogte kunnen overleven, jaren tot soms zelfs millennia. Als of ze in diepe slaap liggen. Water is de prins op het witte paard dat de zaden wakker kust. Het opnemen van water zorgt voor de in gang zetting van de processen die tot ontkieming leiden. En al hoewel een zaadje meerdere rondes van hydratie-dehydratie kan overleven, wanneer de processen voor ontkieming in gang gezet zijn is er geen weg terug. Het is dus van belang om zeker te weten dat er genoeg water is.

Amerikaanse onderzoekers besloten om te onderzoeken hoe zaden beslissen dat er genoeg water is. Hierbij stuitte ze het boven genoemde op een prion-lijkend eiwit dat ze FLOE1 noemde. Wanneer zaden in een droge omgeving zijn is FLOE1 gelijkmatig overal in de cellen aanwezig. Komt het zaadje in contact met water, dan gebeurt er iets geks, FLOE1 groept samen, zonder dat er verdere interactie plaats vindt. Droogt het zaadje weer uit dan is FLOE1 weer overal. FLOE1 breekt dus niet af wanneer het in contact met water komt, maar onttrekt zich van de rest van de cel. Zout water heeft hetzelfde effect of FLOE1 als een droge omgeving. Dit laat zien dat FLOE1 een maat is voor de beschikbare hoeveelheid water.

Zaden zonder FLOE1 zijn sneller geneigd om te ontkiemen in een droge of zoute omgeving. Het hebben van een net iets andere FLOE1 zorgt ervoor dat zaden sneller of juist minder snel ontkiemen in droge of zoute omgevingen. Dit kan een voordeel zijn. Bijvoorbeeld wanneer een zaadje ontkiemt bij de eerste drup water, in een omgeving waar het regelmatig regent. In dat geval, geeft snellere ontkieming de plant een voorsprong. Maar in een omgeving waar de regen erg onvoorspelbaar is en droogte kan volgen na een drup water is snellere ontkieming een nadeel.

De kennis van dit coole onderzoek, over welke variatie van FLOE1 zorgt voor snellere en welke variatie voor minder snellere ontkieming is handig voor kwekers. Die kunnen het gebruiken voor het ontwikkelen van planten die beter bestand zijn tegen de effecten van klimaatverandering.

Literatuur

Dorone, Y., Boeynaems, S., Flores, E., Jin, B., Hateley, S., Bossi, F., Lazarus, E., Pennington, J.G., Michiels, E., De Decker, M., Vints, K., Baatsen, P., Bassel, G.W., Otegui, M.S., Holehouse, A.S., Exposito-Alonso, M., Sukenik, S., Gitler, A.D., Rhee, S.Y. (2021) A prion-like protein regulator of seed germination undergoes hydration-dependent phase separation. Cell.

Searching for light

Searching for light

After germinating, the plant searches its way to the light. There it can start photosynthesis to obtain sugars, energy. To find light the plant stretches its hypocotyl, the part of the stem between the root and the embryogenic leaves, as far as it can. This is enabled by energy that is stored in the seed. For the seedling to stop stretching and to start photosynthesis, it is important that the plant knows when it has found light.

The plant uses HY5 as an indication that there is light. In the dark this protein is instable, making it a good signal for the amount of light the plant perceives. The higher the levels of HY5 the more light there is. And indeed, when in the light without breakdown of HY5 the hypocotyl stops stretching.

That sound easy, HY5 present, light is there, stop stretching. But there is more going on. Arrives a seedling above ground but in the shade, then the hypocotyl keeps stretching. And when researchers are feeding the seedling sugar, then it keeps stretching for longer. What is going on? This is what Israelian researchers were asking themselves.

To find out how light and sugar influence the stretching of the hypocotyl, the researchers looked at three proteins HY5, PIF4 – this protein is stimulating stretching of the hypocotyl, and HXK – this protein plays a role in processing sugars. They found that the presence of HXK or PIF4 stimulates stretching of the hypocotyl. It turned out that HXK is actually promoting the accumulation of PIF4 which in turn promotes the stretching of the hypocotyl. HY5 is doing the opposite, it stops the stretching of the hypocotyl.

HXK and HY5 are not directly influencing each other, but when there is more HY5 then HXK the stretching stops. From this research it is not clear if the amount of HXK is a signal for the amount of available sugar. If this is the case, then the seedling will be stretching itself as far as possible, with the energy it got from its seed, to get to the optimal amount of light. This makes it possible that a seedling keeps stretching its hypocotyl when in emerges from the ground in the shade, or when it got some extra energy from researchers. Searching for the brightest light.

Literature

Kelly, G., Brandsma, D., Egbaria, A., Stein, O., Doron-Faigenboim, A., Lugassi, N., Belausov, E., Zemach, H., Shaya, F., Carmi, N., Sade, N., & Granot, D. (2021) Guard cells control hypocotyl elongation through HXK1, HY5, and PIF4. Commununications Biology 4, 765.