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.

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.