Seed banks shape gene drive outcomes

Seed banks shape gene drive outcomes

Seeds have this amazing ability to lay dormant in the soil for many years. As such, although genes are transferred from one generation to the next, that next generation isn’t always directly following the previous one. This makes studying the outcome of plant reproduction more complex. Now a new paper in Nature Plants shows how seed dormancy influences the success of gene drives.

Seeds from different years that lay dormant in the soil, waiting till it is a good time to germinate, form a so-called seed bank. This intergenerational seed bank is a mix of new and old genotypes. As such a plant with a genotype and a trait that was last seen years ago could appear apparently from nowhere.

This is one of the challenges farmers deal with when combatting weeds. These unwanted plants in a farmer’s field that take up precious nutrients and are competing for space and access to sunlight, which ultimately results in a yield loss. Frustratingly these weeds keep popping up year after year even with proper management.

A gene drive for plants

Long standing use of herbicides to combat these weeds resulted in herbicide resistance. So, farmers need an alternative way to deal with weeds. And although mechanical weeding is a good alternative. Having less weeds to start with is even better.

Enter the gene drive. This is a genetic system that skews the inheritance of specific traits, so that they have a greater chance to be inherited. One area in which the use of a gene drive is discussed widely is to limit the reproduction of mosquitos, so that there is less chance of mosquito transferred diseases in that neighbourhood.

Until recently talk about gene drives in plants was strictly theoretical. It could in theory limit the reproductive success of weeds, so that ultimately their population collapses. Recently two studies created genes drives in plants, CAIN, and ClvR. Both of which in laboratory settings showed that these genes, which when inherited resulted in non-viable pollen, or non-viable pollen and ovules, and can spread quickly through the population and ultimately causes them to collapse.

Interaction between gene drive and seed bank

But that was in laboratory settings. Whereby each successive population existed solely out of the offspring of the previous population. That is, however, not how it works in the real world. There seeds lay dormant in the soils seed bank. There a population is a mix of the offspring of the previous ten, twenty, or more populations. So, the researchers of this new study tried to predict what happens in the field.

For their predictions the researchers considered different situations. The first one was replacing an unwanted version of a gene by a preferred version of that gene so that the population changes but is not necessarily reduced. This is like swapping the gene for a white flower for one that result in a purple flower. In this situation having a system that works via both the male as well as the female line, like that of ClvR, results faster in a population change. But the speed with which the population change occurs depends on the percentage of the population that contained the gene drive at the start, and how long the seeds could stay dormant.

This also counts for the second situation that was tested, whereby the goal was population collapse. Here the outcome is even less straightforward. A strong gene drive, like the male sterility version of ClvR resulted in a collapse of the population in all different starting points tested. But weaker gene drives like that of CAIN only worked if the seeds did not stay dormant for too long or the plants did not produce to many seeds. As more viable seeds without the gene drive present could survive for a long time in the soil and eventually out compete the seeds with the gene drive.

Saver to use

This shows that a gene drive can only survive in a population if its fitness costs are not too high. So far, the researchers worked with the assumption of a single initial release or introduction of the gene drive containing plants. However, by changing the size of the introduced gene drive containing population, or even multiple introductions, the survival changes of the gene drive in the population can increase. Giving it a chance to do its job.

So, seed banks can make it more difficult for a gene drive population to take hold. This same feature however slows down the expansion of the gene drive population outside its target area. This would, at least in theory, make the use of gene drives in plants saver than say in insects.

And that brings us to one of the weaker points of the paper. This is all theory. The researchers modelled the different variations tested. Assuming the conditions tested and leaving out real world things that complicates the model. Like for example, that some weeds like to hug particular areas of a field, premature dead of plants due herbivores, or other environmental factors that might speed up or slow down the development of the plant which in turn has an effect on its seed production. This all would also influence the effect of the gene drive success.

So, is a gene drive system a good way to eliminate weeds in a field? Maybe, but it would take some time, at least a good chuck of a farmers working live if not more. And only in combination with other tactics of eliminating weeds.

Literature

Kim, I.K., Tian, L., Chaffee, R. et al. Seed dormancy shapes gene drive dynamics in plants. Nat. Plants (2026). https://doi.org/10.1038/s41477-026-02256-1

Thanks for reading.
If you like what you read, support me with on of the following actions

🍵 Buy me a tea

Follow me on LinkedIn or BlueSky
Share it with a friend or co-worker
Singing up to my newsletter so my next blog lands directly in your inbox

Zaden banken beïnvloeden de uitkomst van gene-drives

Zaden banken beïnvloeden de uitkomst van gene-drives

Zaden hebben de fascineerde eigenschap dat ze vele jaren in een soort van slaaptoestand in de grond kunnen zitten. Zodoende, ook al worden de genen van generatie op generatie doorgegeven, komt de volgende generatie niet altijd direct na de vorige. Dit maakt bestudering van de uitkomst van de reproductie van planten complex. Nu laat een paper in Nature Plants zien hoe deze slaaptoestand van zaden gene drives beïnvloed.

Zaden van verschillende jaren liggen in een soort van slaaptoestand in de grond. Wachtend op een goed moment om te ontkiemen vormen ze zo een zaden bank. Deze intergenerationele zaden bank is een mix van nieuwe en oude genotypen. Zodoende kan een plant met een genotype dat voor het laatst jaren geleden was gezien uit et niets opduiken.

Dit is een van de uitdagingen van boeren bij het bestrijden van onkruid. Deze niet gewenste planten op een akker gebruiken waardevolle voedingsmiddelen en zijn in competitie met het gewas voor ruimte en toegang tot zonlicht. Met als resultaat: een verlies in opbrengst. Het frustrerende is dat onkruid keer op keer terug keert, zelfs met goed management.

Een gen drive voor planten

Langdurig gebruik van herbiciden om onkruid te verdelgen resulteert in herbicide resistentie. Daarom hebben boeren een alternatief nodig voor onkruidbestrijding. Ook al is mechanisch wieden een goede oplossing. Minder onkruid in het algemeen is nog beter.

Enter de gen drive. Dit is een genetisch systeem dat de overerving van specifieke eigenschappen beïnvloed, zodat deze een grotere kans hebben om geërfd te worden. Een gebied waar de gen drive uitgebreid bediscussieerd wordt is voor het limiteren van de voortplanting van muggen, zodat er minder kans is op door muggen over gedragen ziektes in een omgeving.

Tot recent was alle discussie over gen drives in planten puur theoretisch. Het kan in theorie het reproductieve succes van onkruid limiteren, en zo de populatie laten instorten. Recentelijk zijn twee studies uitgekomen die gen drives voor planten ontwikkelde, CAIN, en ClvR. Beide zorgen in een laboratorium omgeving dat deze genen, welke wanneer geërfd steriele stuifmeelkorrels, of steriele ovules geven, zich snel door de populatie kunnen verspreiden.

Interactie tussen zaden banken en gen drive

Maar dat was in een laboratoriumsituatie. Waarbij elke volgende generatie alleen uit de nakomelingen van de vorige generatie bestaat. Dat is alleen niet hoe het in de echte wereld werkt. Daar liggen zaden van verschillende generaties in de zaden bank. Daar is de populatie een mix van nakomelingen van de afgelopen tien, twintig, of meer populaties. Daarom probeerde de onderzoekers van deze nieuw studie te voorspellen wat er in het veld gebeurt.

Voor hun voorspellingen gebruikte de onderzoekers verschillende situaties. De eerste was een gen drive voor het vervangen van een ongewenste versie van een gen met die van een gewenste versie. Bijvoorbeeld het omwisselen van een gen voor een witte bloemkleur voor een voor een paarse bloemkleur. In dat geval resulteert een systeem dat werkt via zowel de vaderlijke als moederlijke overerving, zoals ClvR, sneller in een verandering op populatieniveau. Maar de snelheid van de populatie verandering is afhankelijk van het percentage van de populatie met de gen drive in het begin, en van hoelang de zaden in een slaaptoestand in de grond kunnen blijven.

Dit is ook het geval voor de tweede situatie die de onderzoekers testte, waarbij het doel was om de populatie te doen instorten. Een sterke gen drive, zoals de mannelijke steriliteit versie van ClvR, resulteerde in de ineenstorting van de populatie in alle geteste gevallen. Maar zwakkere gene drives, zoals die van CAIN, werkte alleen wanneer de zaden niet te lang in de grond wachten om te ontkiemen, of wanneer de planten niet te veel zaden produceerde. Omdat wanneer er meer zaden aanwezig zijn die voor langere tijd in de grond kunnen overleven, dan gaan die uiteindelijk de competitie van de gen drive bevattende zaden winnen.

Veiliger om te gebruiken

Dit laat zien dat een gen drive in planten alleen kan overleven in een populatie als de fitnes kosten niet te hoog zijn. Tot nu toe werkte de onderzoekers met de veronderstelling van een enkele introductie van de gen drive bevattende planten. Maar door de grote van de gen drive introducerende populatie te veranderen, of met meerdere introducties te werken, kan de overlevingskans van de gene drive bevattende populatie vergroot worden. En krijgt het de kans om z’n werk te doen.

Dus zaden banken kunnen het moeilijker maken voor een gene drive populatie om een voet aan de grond te krijgen. Maar deze zelfde eigenschap remt de verspreiding van de gen drive populatie buiten z’n doelgebied. Dit maakt, althans in theorie, het gebruik van gene drives in planten veiliger dan in bijvoorbeeld insecten.

En dat brengt ons naar de zwakkere punten van de paper. Het is allemaal theorie. De onderzoekers modelleerde de verschillende situaties die ze testten. Waarbij ze condities veronderstelde, maar ook dingen uit de echte wereld uit het model hielden omdat die het model te complex maken. Bijvoorbeeld, dat bepaalde planten een voorkeur hebben voor bepaalde gebieden op een akker, voortijdige dood van planten door het geknaag van herbivoren, of andere omgevingsfactoren die de ontwikkeling van de plant versnellen of afremmen en invloed hebben op de zaadproductie. Ook dit alles zal van invloed zijn op het succes van gene drives.

Dus is een gene drive een goede manier om de akker van onkruid te ontdoen? Misschien, maar het zal even duren, op z’n minst een groot deel van de boer z’n werkende leven, zo niet langer. En waarschijnlijk alleen in combinatie met andere methoden om een akker van onkruid te ontdoen.

Literature

Kim, I.K., Tian, L., Chaffee, R. et al. Seed dormancy shapes gene drive dynamics in plants. Nat. Plants (2026). https://doi.org/10.1038/s41477-026-02256-1

Bedankt voor het lezen
Vond je het interessant, overweeg dan een van de volgende acties

🍵 Buy me a tea

Volg me op LinkedIn of BlueSky
Stuur het door aan een vriend of collega
Abonnneer je op m’n nieuwsletter zodat de volgende automatisch in je inbox verschijnt.

Stomata done differently

Stomata done differently

Stomata, the pores in the leaves through which plants exchange gas and water vapor, are well studied in the model plant Arabidopsis. But in some plants like succulents, they look a little bit different and have these accompanying “wingmen” cells. Now a new study in Science Advances found clues for their function and how they are formed.

In most plant stomata are formed by two kidney shaped cells that are surrounded by the like puzzle pieces formed pavement cells on the underside of the leaf. The development of those breathing pores is tightly regulated. Only cells that got the destination “meristemoid mother cell” can develop into stomata. This happens through two rounds of cell division. First an asymmetrical one, and then the smallest daughter cell divides again, but this time symmetrically, with each daughter cell forming one of the two kidney shaped stomata cell.

Wingmen

But when looking at the stomata of succulents, like Kalanchoë laxiflora, you see that between the stomata and the pavement cell there are three smaller cells that completely surround the kidney shaped stomata cells. These are the so-called subsidiary cells. You can think of them as wingmen of the kidney formed cells. The researchers of this new study wanted to find out what those cells do and how they are formed.

First what they do. By monitoring the potassium ions, which function as signal for the cell to take up more water, the researchers noticed that when the pores were closed the potassium ions were mainly seen in the “wingmen cells”. These cells swelled up, pressing the kidney shaped stomata cells closed. The opposite was the case when those stomata where open, the potassium ions could be found in the kidneys shaped cells.

So how do these “wingmen” cells form? To find out the researchers studied the formation of stomata. The noticed that after the first asymmetric cell division of cells destined to become stomata cells, the smallest cell underwent two more asymmetric cell divisions. Then divided three times asymmetrical with the larger cell undergoing the subsequent asymmetric division and the smaller cell becoming a “wingmen” cell. After this third division the largest daughter cell, surrounded the three “wingmen” cells, divides symmetrically to form the kidney shaped stomata cells.

A flipped gene

In Arabidopsis it is the gene regulator MUTE that makes sure to stop asymmetric cell division and to initiate the symmetric cell division required for the forming of the two kidney shaped cells. Surprisingly the researchers found that in Kalanchoë laxiflora, the two MUTE genes present were needed for the earlier asymmetric divisions. Those that occurred after switching from the ‘general’ stomata development pathway to the succulent stomata development pathway.

When there was more MUTE present in the succulents, more asymmetric “wingmen” cell creating cell divisions take place, before the final stomata forming symmetric cell division occurred. This was also supported by the observation that in those plants there were also more genes active that supported asymmetric cell division. This shows that succulents have repurposed the MUTE gene regulator.

This cleaver trick, which resulted in the creation of “wingmen” cells, helps succulents to survive in hot dry places. By having this extra support, the plants can keep their pores tightly shut during the day. Preventing unnecessary water loss.

Literature

 Xin Cheng et al., MUTE drives asymmetric divisions to form stomatal subsidiary cells in Crassulaceae succulents. Sci. Adv.12, eaeb8145(2026). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb8145

Thanks for reading.
If you like what you read, support me with on of the following actions

🍵 Buy me a tea

Follow me on LinkedIn or BlueSky
Share it with a friend or co-worker
Singing up to my newsletter so my next blog lands directly in your inbox

Huidmondjes maar dan anders

Huidmondjes maar dan anders

In de modelplant de zandraket zijn huidmondjes, de poriën in bladeren waardoor planten gas en waterdamp uitwisselen, goed bestudeerd. Maar sommige planten zoals vetplanten, zien huidmondjes er net iets anders uit, ze hebben begeleidende cellen. Nu heeft een studie in Science Advances aanwijzingen gevonden wat die cellen doen en hoe deze zich ontwikkelen.

In de meeste planten worden huidmondjes gevormd door twee niervormige cellen die omringt zijn door op puzzel stukjes lijkende cellen aan de onderkant van het blad. De ontwikkeling van deze ademde poriën is strikt gereguleerd. Alleen cellen met de bestemming tot huidmondje kunnen zich tot huidmondjes ontwikkelen. Dit gebeurt via twee celdelingsronden. Eerst een asymmetrische, hierna deelt de kleinste dochtercel nog een keer maar ditmaal symmetrisch waarbij elke dochtercel een van de twee niervormige cellen vormt.

Begeleidende cellen

Maar wanneer je de huidmondjes van vetplanten, zoals de Kalanchoë laxiflora, bestudeerd dan zie je dat tussen de huidmondjes en de puzzelvormige cellen nog drie kleinere cellen liggen die de huidmondjes helemaal omringen. Dit zijn de begeleidende cellen. De onderzoekers van de nieuwe studie vonden uit wat deze cellen doen en hoe ze zich ontwikkelen.

Om te beginnen wat doen ze. Door het monitoren van de kaliumionen, die functioneren als een signaal voor de cel om meer water op te nemen, zagen de onderzoekers dat wanneer de poriën dicht waren de kaliumionen zich voornamelijk in de begeleidende cellen bevonden. Deze cellen zwollen op en hielpen de niervormige huidmondjes cellen dicht te drukken. Het tegenovergestelde was het geval wanneer de huidmondjes open waren, dan waren er meer kaliumionen in de niervormige cellen.

Nu, hoe worden deze begeleidede cellen gevormd. Om dat uit te vinden bestudeerde de onderzoekers de vorming van de huidmondjes. Het viel ze op dat na de eerste asymmetrische celdeling van de cellen die bestemd zijn om huidmondjes te worden, de kleinste dochtercel nog twee asymmetrische celdelingen ondergaat. Daarna deelde de grotere dochtercel nog drie asymmetrische delingen waarbij de kleinste dochtercel zich tot begeleidende cel ontwikkelde. Na deze drie asymmetrische delingen was de grootste dochtercel omringt door de drie begeleidende cellen, en deelde vervolgens symmetrisch om de twee niervormige huidmondjes cellen te vormen.

Gedraaid gen

In de zandraket zorgt de genregulatie door MUTE ervoor dat de asymmetrische celdeling stopt en voor de overschakeling op symmetrische celdeling om de twee niervormige cellen te creëren. Verassend genoeg vonden de onderzoekers dat in Kalanchoë laxiflora de twee aanwezige MUTE genen nodig waren voor de eerdere asymmetrische delingen. Op het moment dat deze overgaan van de ‘algemene’ huidmondjes ontwikkeling naar de vetplanten specifieke huidmondjes ontwikkeling.

Wanneer er in vetplanten meer MUTE aanwezig is dan vinden er ook meer asymmetrische begeleidende cellen vormende celdelingen plaats voordat de uiteindelijke huidmondjes vormende symmetrische celdeling plaats vindt. Dit werd ook ondersteund door de observatie dat in deze planten er ook meer genen actief waren die asymmetrische celdeling bevorderen. Dit laat zien hoe vetplanten aan de MUTE gen-regulator een nieuwe functie hebben toebedeeld.

Deze slimme truc, die resulteerde in de formatie van de begeleidende cellen, helpt vetplanten om in hete droge plaatsen te overleven. Door dit extra support lukt het de planten om hun poriën goed dicht te houden gedurende de dag. Zo onnodig water verlies voorkomen.

Literatuur

Xin Cheng et al., MUTE drives asymmetric divisions to form stomatal subsidiary cells in Crassulaceae succulents. Sci. Adv.12, eaeb8145(2026). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb8145

Bedankt voor het lezen
Vond je het interessant, overweeg dan een van de volgende acties

🍵 Buy me a tea

Volg me op LinkedIn of BlueSky
Stuur het door aan een vriend of collega
Abonnneer je op m’n nieuwsletter zodat de volgende automatisch in je inbox verschijnt.