Opzoek naar licht

Opzoek naar licht

Na het ontkiemen zoekt de plant de weg naar het licht. Om daar met behulp van fotosynthese suikers, energie, te kunnen maken. Om het licht te vinden, strekt de plant zijn hypocotyl, het gedeelte van de stengel tussen de wortel en de embryonale bladeren, zo ver mogelijk uit. Hiervoor gebruikt de zaailing energie dat was opgeslagen in het zaad. Om te stoppen met uitstrekken en te beginnen met fotosynthese is het van belang dat de plant in de gaten heeft wanneer het licht gevonden is.

Voor de indicatie dat er licht is gebruikt de plant HY5. In het donker is dit eiwit instabiel, wat het een goede maat maakt voor de hoeveelheid licht dat de plant opvangt. Hoe meer HY5 hoe meer licht. En inderdaad, in het licht zonder afbraak van HY5 stopt de hypocotyl met uitstrekken.

Dit klinkt simpel, HY5 aanwezig, licht gevonden, stoppen met uitstrekken. Maar er blijkt meer te spelen. Komt de zaailing in de schaduw boven de grond, dan blijft de hypocotyl zich uitrekken. Ook wanneer onderzoekers suiker geven aan de zaailing blijft deze zich langer uitrekken. Hoe zit dat? Dit is wat Israëlische onderzoekers zich afvroegen.

Om te achterhalen hoe licht en suiker het uitstrekken van de hypocotyl beïnvloeden keken de onderzoekers naar drie eiwitten, HY5, PIF4 – dit eiwit stimuleert het uitrekken van de hypocotyl, en HXK – dit eiwit speelt een rol in de verwerking van suikers. Ze vonden dat de aanwezigheid van HXK of PIF4 het uitstrekken van de hypocotyl stimuleert. Hierbij zorgt HXK ervoor dat er meer PIF4 komt wat er weer voor zorgt dat de hypocotyl zich blijft uitrekken. HY5 doet het tegenovergestelde en zorgt er juist voor dat het uitstrekken stopt.

HXK en HY5 beïnvloeden elkaar niet direct, maar wanneer er meer HY5 dan HXK is dan stopt het uitstrekken. Uit dit onderzoek blijkt niet of HXK ook een maat is voor de hoeveelheid beschikbare suiker. Is dit het geval, dan strekt de zaailing zo ver mogelijk uit naar de optimale hoeveelheid licht wanneer mogelijk met de hoeveelheid suikers die het heeft meegekregen uit zijn zaad. Zo kan het dus zijn dat een zaailing zich blijft uitstrekken wanneer deze in de schaduw boven de grond komt, of wanneer het wat extra suikers van onderzoekers heeft gekregen. Op zoek naar feller licht.

Literatuur

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.

Natural insecticide

Natural insecticide

Plants have an arsenal of weapons to deal with insects. Think, releasing for the insect unpalatable smells, or maybe smells that attract predator insects that eat the plant eating ones. But also think, releasing a, for insects, deadly toxin. This all makes sure that a plant will survive a plague of hungry insects.

Unfortunately, most of our cultivated crops have lost this capacity. We have optimised these in such a way that they have large yields, with great taste. Only on the way we have lost their natural protections against insects. These we have used insecticides instead.

Still it would be useful to give crops back their natural protection against insects. This is what scientist are trying to do. But it is not as easy as it sounds. Researches from Brazil and the Netherlands crossed cultivated tomato plants with their wild relatives to try giving back their natural protection.

Tomato plants produce natural insecticides in their trichomes. They are a kind of hairs attached to the leaf and gives them hairy or downy appearance. You have trichomes in all different kinds and sizes. The trichomes that make natural insecticides have a globular ending, in which the insecticide accumulates.

By crossing in type-IV trichomes into cultivated tomato plants, Brazilian researches hoped that these would also make the by type-IV trichome produced acyl-sugars. Unfortunately, this was not completely the case. The plants did make acyl-sugars, but not enough for killing insects. But with the type-IV trichome tomato plants in hand, the Brazilian research are trying to find out how they can make them produce lots of insect killing acyl-sugars.

A team of Brazilian and Dutch researchers tried a different approach. By crossing cultivated tomato plants with their wild relative they selected for genes involved in the production of natural insecticides, this time sesquiterpenes made by type-VI trichomes. Their progeny did make more of some sesquiterpenes, but not all, and did not make more type-VI trichomes. It also turned out that not enough of the insect killing type of sesquiterpenes were made.

So even though researchers did not manage this time to give back cultivated tomato plants their natural insect protection. They did lay the next steppingstone for the way to it. We do know a little better how wild tomato plants make natural insecticides and use them. They do this with a combination of genes for the right type of trichome, with genes needed to make the insecticide, and genes that are needed for a high production and excretion. Most of these genes are located all over the place in the tomato genome. Making it a big challenge to get them back in the cultivated tomato plants that makes lots of tasty tomatoes.

Literature

Eloisa Vendemiatti, Rodrigo Therezan, Mateus H. Vicente, Maísa de Siqueira Pinto, Nick Bergau, Lina Yang, Walter Fernando Bernardi, Severino M. de Alencar, Agustin Zsögön, Alain Tissier, Vagner A. Benedito, Lázaro E. P. Peres (2021) Introgression of type-IV glandular trichomes from Solanum galapagense to cultivated tomato reveals genetic complexity for the development of acylsugar-based insect resistance bioRxiv

Rodrigo Therezan, Ruy Kortbeek, Eloisa Vendemiatti, Saioa Legarrea, Severino M. de Alencar, Robert C. Schuurink, Petra Bleeker and Lázaro E. P. Peres (2021) Introgression of the sesquiterpene biosynthesis from Solanum habrochaites to cultivated tomato offers insights into trichome morphology and arthropod resistance. Planta 254, 11.

Natuurlijke insecticide

Natuurlijke insecticide

Planten hebben een arsenaal aan wapens om insecten te kunnen bestrijden. Denk aan het afgeven van voor de insect onaantrekkelijke geurtjes, of geuren die juist insecten lokt die de plantenetende insecten opeten. Maar ook aan het uitscheiden van stoffen die dodelijk zijn voor insecten. Dit alles zorgt ervoor dat een plant een plaag van vraatzuchtige insecten kan overleven.

Dit geldt helaas niet meer voor de gewassen die we groeien voor ons eten. Deze planten hebben we zo geoptimaliseerd dat ze een grote opbrengst hebben, en goed smaken. We hebben alleen hun natuurlijke bescherming tegen insecten niet behouden. Deze hebben we vervangen met insecticiden.

Toch zou het handig zijn om gewassen hun natuurlijke bescherming tegen insecten weer terug te geven. Dat is wat wetenschappers voor elkaar proberen te krijgen. Maar het dat is nog niet zo makkelijk. Onderzoekers uit Amsterdam en Brazilië probeerde tomatenplanten hun natuurlijke bescherming terug te geven door deze met hun wilde soortgenoten te kruizen.

Tomatenplanten produceren natuurlijke insecticiden in trichomen. Dit zijn een soort haren die op bladeren zitten en ze er harig of donzig laten uitzien. Trichomen komen voor in allerlei verschillende soorten en maten. Trichomen die natuurlijke insecticiden maken hebben een bolvormig uiteinde waarin de insecticide zich verzamelt.

Door type-IV trichomen in de tomatenplanten te kruizen, hoopten Braziliaanse onderzoekers dat ook de planten ook de door type-IV trichomen geproduceerde acyl-suikers gingen maken. Dit was helaas niet helemaal het geval. De planten maakte de wel acyl-suikers, maar niet genoeg om insecten te doden. Met planten met type-IV trichomen in hand, gaan de Braziliaanse onderzoekers nu op zoek hoe ze deze ook de veel insecten dodende acyl-suikers kunnen laten produceren.

Een team van Braziliaanse en Amsterdamse onderzoekers probeerde het via een andere weg. Door tomatenplanten te kruizen met hun wilde soortgenoten hoopten ze dat de nakomelingen meer natuurlijke insecticiden gingen produceren, dit keer sesquiterpenes geproduceerd door type-VI trichomen. De nakomelingen maakte inderdaad meer van sommige sesquiterpenes, maar niet meer type-VI trichomen. En ook bleek er niet genoeg of niet de juiste sesquiterpenes te worden geproduceerd om insecten te doden.

Ook al zijn onderzoekers er dit keer niet in geslaagd om tomatenplanten de natuurlijke bescherming tegen insecten terug te geven. Ze hebben wel de volgende stap gemaakt op de weg daarnaartoe. We weten een beetje beter hoe wilde tomatenplanten natuurlijke insecticide maken en uitscheiden. Dit is een combinatie van genen voor het juiste type trichoom, van genen die nodig zijn om het insecticide te maken, en genen die nodig zijn voor een hoge productie en uitscheiding. De meeste van deze genen liggen kriskras door het tomaten genoom. Het is dus nog een hele uitdaging om deze allemaal weer in de tomatenplanten te krijgen die veel lekkere tomaten produceren.

Literature

Eloisa Vendemiatti, Rodrigo Therezan, Mateus H. Vicente, Maísa de Siqueira Pinto, Nick Bergau, Lina Yang, Walter Fernando Bernardi, Severino M. de Alencar, Agustin Zsögön, Alain Tissier, Vagner A. Benedito, Lázaro E. P. Peres (2021) Introgression of type-IV glandular trichomes from Solanum galapagense to cultivated tomato reveals genetic complexity for the development of acylsugar-based insect resistance bioRxiv

Rodrigo Therezan, Ruy Kortbeek, Eloisa Vendemiatti, Saioa Legarrea, Severino M. de Alencar, Robert C. Schuurink, Petra Bleeker and Lázaro E. P. Peres (2021) Introgression of the sesquiterpene biosynthesis from Solanum habrochaites to cultivated tomato offers insights into trichome morphology and arthropod resistance. Planta 254, 11.

Light lets plants breathe

Light lets plants breathe

Researchers from Singapore discovered how light lets plants breathe. Plants breathe using stomata, these are special cells located on the underside of the leaf. In contrast to normal plant cells, these cells are not connected to each other with a cell wall. This is creating a pore through which air can enter the airspace of the leaf.

With air, CO2 for photosynthesis is entering. And with the air that leaves the leaf, water exits as well. By warm weather the plant tries to prevent too much water leaving by closing the stomata. But with lots of light, the plant sets them wide open, so that as much as possible CO2 is available for photosynthesis. It is therefore important to have a balance between environment, the amount of stomata, and their opening.

Not surprising, the plant is regulating this tightly. Part of this is regulating the number of stomata on the leaf. The gene SPEECHLESS is regulating this. Is this gene on then the cell develops into stomata. The protein YODA is making sure that normally SPEECHLESS is off, to prevent all cells turning into stomata.

Singaporean researches now have discovered that light can turn off YODA. Light has a messenger HY5. If there is light, then the protein HY5 is stable, but how darker it is how more likely it is that HY5 breaks down. Therefore, the amount of HY5 is a direct measurement of the amount of light. Part of HY5 job is to turn on the production of STOMAGEN, which in turn turns off YODA, turning SPEECHLESS on and allowing stomata to form.

The amount of light is reflected in the amount of HY5, and so in the amount of SPEECHLESS turned on. This explains how plants in brighter lights have more stomata that their counter parts in the shadow, and how they can breathe a little deeper.

Literature

Shenqi Wang, Zimin Zhou, Rini Rahiman, Grace Sheen Yee Lee, Yuan Kai Yeo, Xin Yang and On Sun Lau. (2021) Light regulates stomatal development by modulating paracrine signaling from inner tissues. Nature Communications 12, 3403.