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.

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.