Licht laat planten ademen

Licht laat planten ademen

Onderzoekers uit Singapore hebben ontdekt hoe licht planten laat ademen. Planten ademen met behulp van huidmondjes, dit zijn speciale cellen die aan de onderkant van een blad zitten. In tegenstelling tot gewone plantencellen, zitten de cellen van de huidmondjes niet aan elkaar vast via de celwand. Dit creëert om een porie, een opening, tussen de cellen waardoor lucht in de luchtruimte van het blad kan komen.

Met de lucht komt CO2 voor fotosynthese het blad binnen. De lucht die het blad weer verlaat neemt water mee. Daarom, wanneer het erg warm is, probeert de plant de verdamping van water tegen te gaan door de huidmondjes te sluiten. Terwijl wanneer er veel licht is de plant ze wijd open wil hebben om zoveel mogelijk CO2 beschikbaar te hebben voor fotosynthese. Het is dus van belang dat er een balans is tussen de hoeveelheid huidmondjes, hun opening en de omgeving van de plant.

Het is dus niet vreemd dat de plant dit goed reguleert. Een onderdeel hiervan is regulering van de hoeveelheid huidmondjes op een blad. Het gen SPEECHLESS regelt dit. Staat dit gen aan, dan ontwikkeld de cel zich tot een huidmondje. Om te voorkomen dat alle cellen zich tot huidmondjes ontwikkelen zorgt het eiwit YODA ervoor dat SPEECHLESS normaal gesproken uit staat.

Nu hebben Singaporese onderzoekers ontdekt dat licht YODA kan uitschakelen. De boodschapper van licht is het eiwit HY5. Is het licht dan is het eiwit HY5 stabiel, maar hoe donkerder hoe onstabieler HY5 is. De hoeveelheid HY5 is dus een directe maat voor de hoeveelheid licht. HY5 zet de productie van STOMAGEN aan die YODA uitschakelt, wat SPEECHLESS en de ontwikkeling van huidmondjes weer aanzet.

De hoeveelheid licht is weerspiegeld in de hoeveelheid HY5, en zo ook de mate waarin SPEECHLESS aan staat. Zo komt het dus dat planten in feller licht meer huidmondjes hebben dan planten die in de schaduw groeien, en ze dieper kunnen inademen.

Literatuur

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.

Evening and morning plants

Evening and morning plants

Just like people, plants have a biological clock. This helps plants to recognise when it is morning and when the evening starts. The biological clock consists, just like our analogue timepiece, through an ingenious radar work of interconnecting feedback loops. These are self-correcting so that not every passing cloud is signalling the beginning of the evening.

In plants, the biological clock is making sure that at sunrise, processes are started that are needed during the day, for example photosynthesis, and processes from the night, for example starch degradation into glucose, are ended. At the start of the evening the reverse takes place. The biological clock influences a lot of processes, like the growth of the plant, when it will flower, and how it responds to temperature fluctuations. And not to forget, it keeps track of the seasons.

Al together it is important for plants to have a biological clock that fits their environment. To further investigate this, British researchers analysed how the clock is behaving in 191 different tale cress (Arabidopsis) plants from different places in Sweden. To do this they used the photosynthetic activity to map each biological clock.

This showed that plants from the north of Sweden had a slightly quicker clock than those from the south. They also noticed that, just as by people, some plants were more active early in the morning, whereas others peaked late in the evening. Most of the plants were somewhere in between, but you have evening and morning plants.

The majority of the observed variation in the biological clock is due to an accumulation of small differences in clock-genes between the different tale cress plants. These differences the researches tried to find. For one gene they were lucky. For COLD REGULATED GENE 28 it turned out that a single mutation caused the clock to run slower. And it made the plants have their peak in photosynthetic activity an hour earlier in the day. But that was not all, this mutation also made plants delaying flowering.

As you can see a single mutation can have a big effect. Before you know it, you change from an evening into a morning person, ehm plant.

Literature

Rees, H, Joynson, R, Brown, JKM, Hall, A. (2021) Naturally occurring circadian rhythm variation associated with clock gene loci in Swedish Arabidopsis accessions. Plant Cell Environ. 44: 807– 820.

Avond en ochtend planten

Avond en ochtend planten

Net als mensen hebben planten een biologische klok. Deze zorgt ervoor dat de plant weet wanneer het ochtend is, en wanneer de avond valt. De biologische klok is net zoals ons analoge uurwerk een ingenieus raderwerk van in elkaar overlopende feedbackloops. Deze corrigeren elkaar zodat niet elke overdrijvende wolk de avond inluidt.

De biologische klok van de plant zorgt ervoor dat bij opkomst van de zon de plant processen activeert die nodig zijn gedurende de dag, denk aan bijvoorbeeld fotosyntheses, en de processen van de nacht, zoals bijvoorbeeld het omzetten van zetmeel in glucose, uit zet. Bij het vallen van de avond gebeurt het omgekeerde. De biologische klok heeft een rol in veel processen, onder andere de groei van de plant, wanneer deze bloeit, en hoe het reageert op temperatuur verschillen. En niet te vergeten bij het herkennen van de seizoenen.

Al met al is het dus van belang voor de plant om een biologische klok te hebben die past bij hun omgeving. Om dit verder te onderzoeken, keken Britse onderzoekers hoe de biologische klok zich gedroeg in 191 verschillende wilde zandraket (Arabidopsis) planten komend uit verschillende plekken in Zweden. Gebruikmakend van fotosynthetische activiteit brachten ze de biologische klokken in kaart.

Dit liet zien dat planten uit het noorden van Zweden iets snellere klok hadden dan die in het zuiden. Ook zagen ze dat net als bij mensen er planten waren die vroeg in de ochtend de meeste fotosynthetische activiteit hadden, en planten waarbij dit pas laat in de avond het geval was. De meeste planten zaten hier ergens tussen in, maar je hebt dus ook ochtend en avond planten.

Het merendeel van de in de biologische klok waargenomen variatie is het gevolg van een opeenstapeling van kleine verschillen in de klok-genen tussen de verschillende zandraket planten. Deze probeerde de onderzoekers te vinden. Voor een gen hadden ze geluk. Voor het gen COLD REGULATED GENE 28 bleek dat een enkele mutatie ervoor zorgde dat de klok iets langzamer ging lopen. Ook hadden de planten een uur eerder op de dag de meeste fotosynthetische activiteit. Dat niet alleen, de mutatie in dit gen zorgt ervoor dat de planten later gaan bloeien.

Zo zie je maar een enkele mutatie kan grote invloed hebben. Voor je het weet verander je van een avond in een ochtend mens, ehm plant.

Literatuur

Rees, H, Joynson, R, Brown, JKM, Hall, A. (2021) Naturally occurring circadian rhythm variation associated with clock gene loci in Swedish Arabidopsis accessions. Plant Cell Environ. 44: 807– 820.

Clean slate

Clean slate

Every year again, a plant makes sure it flowers under ideal circumstances. Is the plant mature, is the temperature right, are there enough nutrients, all points to consider. Including, the question, is there enough time to set seed and develop fruits after pollination. To figure out the ideal moment, a plant makes use of a checklist.

Not all points on this list can be checked simultaneously. For example, a plant can be mature, but the rest of the points have not jet been met. No worries. A plant can memorise this. By marking the genes, that by passing a point on the list, change from on to off (or the other way around) the plant makes sure a check on list does not disappear.

Research clearly documented how this is organised for the check ‘winter passed’ in the annual Arabidopsis (tale cress). If winter has not passed the gene FLC is on. FLC is turned off during the winter, when it is cold, below 10 degrees Celsius, for a long time. At the end of the winter in all the cells of the plant FLC is turned off and marked. The point ‘winter passed’ is checked.

It is convenient for a plant, that through checking of a checklist, it enables it to remember what happened without a brain. Only for the next generation it is important that all the checks on the checklist are erased again. This prevents flowering of a plant that only just sprouted. For a long time, there was a question of how the plant erased those checks.

Now a group of researchers from the UK and Austria have found out how the plant does this for FLC. This happens via a kind of a tug of war, between the gene that wants to turn FLC on, FRIGIDA, and the gene that wants to keep FLC off, FCA. FRIGIDA is needed to turn FLC on, plants without FLC can flower without a winter having passed. By shaking off the markings on FLC, FRIGIDA is turning FLC back on.

At the same time FCA tries to prevent FLC being turned on. During the reading of FLC, FCA says right at the beginning ‘here is the end of the gene’. In this way only the first part of FLC is read, but not the rest of the gene. This prevents removal of the markings on FLC, so the gene stays off.

This all happens during the first three to four days after pollination of the flower. Is there a lot more FRIGIDA, then FLC is on at the time of sprouting, then the plant needs a winter before it can flower. If there is a lot more FCA, then at the time of germination FLC is off, no winter required before flowering. Of course, it can be that the amount of FRIGIDA and FCA is somewhere between those extremes. In that case, the more FRIGIDA the longer the winter, the more FCA the shorter the winter that is needed for flowering.

It is easy to believe that all annuals and biennials use a similar system to erase the checks on their checklist. For perennials it is probably less simple. They live for multiple years and flower year after year.

Literature

Michael Schon, Catherine Baxter, Congyao Xu, Balaji Enugutti, Michael D. Nodine, Caroline Dean (2021) Antagonistic activities of cotranscriptional regulators within an early developmental window set FLC expression level. Proceedings of the National Academy of Sciences 118 e2102753118