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

Schone lei

Schone lei

Een plant zorgt ervoor dat hij bloeit in ideale omstandigheden, elk jaar weer. Zo moet de plant volwassen zijn. Moet het warm genoeg zijn, en de plant genoeg voedingsstoffen hebben. Ook probeert de plant ervoor te zorgen dat het tijd heeft om zaden en vruchten te ontwikkelen na bevruchting van de bloem. Om het ideale moment uit te kiezen maakt de plant gebruik van een controle lijst.

Niet alle punten op de lijst kunnen gelijktijdig worden afgevinkt. Een plant kan al volwassen terwijl de rest van de vereisten nog niet zijn gehaald. Geen nood. Een plant kan dat onthouden. Door de genen te markeren die bij een punt op de lijst omslaan van aan naar uit (of omgekeerd) zorgt de plant ervoor het vinkje op de controle lijst niet verdwijnt.

Onderzoek naar hoe dit geregeld is voor de check ‘winter al geweest is’ bij de eenjarige Arabidopsis (zandraket) heeft dit duidelijk in kaart gebracht. Het gen FLC staat aan als er nog geen winter is geweest. Het uitschakelen van FLC gebeurt gedurende de winter, wanneer het voor lange tijd koud is, onder de 10 graden. Aan het eind van de winter is FLC in alle cellen van de plant gemarkeerd en uit. En is het punt voor ‘winter al geweest’ afgevinkt.

Het afvinken van de punten op de controle lijst door de betrokken genen te markeren is heel handig voor de plant, zo kan hij onthouden wat er is gebeurd. Alleen voor de volgende generatie is het van belang dat de vinkjes op de controle lijst weer zijn uitgewist. Dit voorkomt dat wanneer een plant ontkiemt deze gelijk gaat bloeien. Lang was het de vraag hoe de plant deze vinkjes uitwist?

Nu heeft een groep van Engelse en Oostenrijkse onderzoekers achterhaald hoe de plant dit voor FLC  doet. Dit gebeurt via een soort van getouwtrek tussen het gen dat FLC aan wil zetten, FRIGIDA, en het gen dat FLC uit wil houden, FCA. Is er geen FRIGIDA dan hebben planten geen winter nodig om te kunnen bloeien. FRIGIDA krijgt FLC weer aan door de markeringen los te schudden.

Te gelijker tijd probeert FCA te voorkomen dat FLC weer aan gaat. Dit doet het door tijdens het aflezen van FLC, gelijk al aan het begin te zeggen ‘hier is het einde van dit gen’. Dit zorgt ervoor dat de plant alleen het eerste gedeelte van FLC leest, maar de rest van het gen niet, waardoor de markeringen niet van FLC loskomen.

Dit gebeurt allemaal in de eerste drie tot vier dagen na bestuiving van de bloem. Is er flink meer FRIGIDA, dan staat FLC aan op het moment dat het zaadje ontkiemt, en heeft de plant een winter nodig voordat het kan bloeien. Is er overtuigend meer FCA, dan is FLC uit, en kan de plant bloeien zonder tussenkomst van een winter. Het kan natuurlijk ook dat de hoeveelheid FRIGIDA en FCA hier ergens tussen in liggen. Dan geld, hoe meer FRIGIDA hoe langer de winter, hoe meer FCA hoe korter.

Het is goed voor te stellen dat alle eenjarige en twee jarige planten gebruikmaken van eenzelfde soort mechanisme om de vinkjes van hun controle lijst weer uit te wissen. Voor meerjarige planten is het waarschijnlijk minder simpel. Zij leven tenslotte meerdere jaren en bloeien jaar naar jaar.

Literatuur

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

Under pressure

Under pressure

Not only do roots anker the plant to the ground, they also actively search for water and nutrients. In their search they come across a range of obstacles. Think about stones and other roots, but also more densely packed patches of soil. They grow gently around or through these.

During growth the tip of the root is its navigation system. With help of calcium signals and hormones it lets the rest of the root know where to go. Right down. Or maybe left, because there are more nutrients that way, in that case the tip gives the message: cells on the right site, stretch out more.

But how do they know they come across an obstacle, that is what researchers in America where asking. First, they looked at what happens when a root hits an obstacle. This causes mechanical pressure on the root tip. This pressure thus tells the root tip there is an obstacle.

The next question was, how does the plant translate this into a biological signal? In their search for the answer, researchers discovered that they do this with help of channels, called PIEZO, located in root tip cells. These doors between cells open when the root tip encounters pressure, letting through a calcium signal to the rest of the root.

PIEZO is important for growing through densely packed soil. Without PIEZO roots are growing less quick through hard ground. Therefore, PIEZO is part of the navigational system. When PIEZO opens, it tells the rest of the root: more force, we encounter hard ground.

Literature

Seyed A. R. Mousavi, Adrienne E. Dubin, Wei-Zheng Zeng, Adam M. Coombs, Khai Do, Darian A. Ghadiri, William T. Keenan, Chennan Ge, Yunde Zhao, Ardem Patapoutian (2021) PIEZO ion channel is required for root mechanotransduction in Arabidopsis thaliana. PNAS 118: e2102188118