Regulation from a distance

Regulation from a distance

Listening to talks from animal researchers about gene regulation I always was a bit worried that I was missing something about this in plants. Because in the animal genome regulatory elements, that tell gene regulators when a gene needs to be turned on, lay quite far away from the genes they regulate. Gene and regulatory elements can easily be millions of bases apart.

In plants this is not the case. There, the promoter, the bit of sequence in front of the gene which is needed for turning the gene on or off, is often relatively short, a couple of thousands of bases at most. Now a new study “Two deeply conserved non-coding sequences control PLETHORA1/2 expression and coordinate embryo and root development” shows that plants also have those gene regulatory elements.

To find out if plants contain those gene regulatory elements, or conserved non-coded sequences as they are called, a group of Dutch and American researchers analysed a stretch of 20 000 bases in front of the PLETHORA genes from 120 plant species. PLETHORA genes are master regulators of plant development. And as such they are particular well conserved among plants.

Needed for expression

Two stretches of DNA stood out. The first one, named BOX1, is closest to the start of the PLETHORA genes and spans about 90 bases. The second one, about 100 bases further away the researchers called BOX2 and spans about 60 bases. Both stretches of DNA occurred almost identically in almost all species analysed.

To check if this are indeed regulatory sequences the researchers did what researchers do. They deleted BOX1, BOX2, or both. Finding that both stretches of DNA where needed for the expression of the PLETHORA 1 and 2 genes. In addition, the roots of plants without BOX1 and/or BOX2 did not grow or only verry slowly. Clearly indicating that the BOX1 and BOX2 are needed for proper expression of PLETHORA 1 and 2 and for root growth.

Next the researchers looked at where in the root PLETHORA is expressed and how BOX1 and BOX2 influences this. By coupling the PLETHORA with a fluorescent tag, the researchers found that in the absence of BOX1 PLETHORA is no longer seen in the root growth centre. Whereas absence of BOX2 stops PLETHORA being active in the vascular tissue. The researchers not only noticed this in seedlings, but also for developing embryos.

Better access

The following question the researchers liked to answer was of course: How do BOX1 and BOX2 elements regulate gene expression? The first hint they got when looking to how accessible the DNA was. They found that especially in growth centre regions of the plant BOX1 and to a lesser extend BOX2 allowed better access to the DNA. This in turn suggest that there is something that keeps the DNA accessible at those places, the most likely culprits for that are transcription factors, a.k.a. gene regulators.

Hints for which gene regulators, the researchers found by looking at the sequence of BOX1 and BOX 2. This revealed that they contain patterns to which PLETHORA proteins bind. Yes, you read that right. The PLETHORA proteins bind to the regulatory elements of their own genes. Creating a so called autoregulatory feedback loop.

Now this is one study and with the conformational work done in the lab rat under the plants: Arabidopsis. However, it wouldn’t surprise me if in addition to regulatory patterns to which gene regulators bind, plant genes also have those longer stretches of regulatory elements.

Literature

Kerstens, M., Boele, Y., Moralez-Cruz, A., Roelofsen, C., Wang, P., Baumgart, L.A, O’Malley, R., Sanchez-Perez, G., Scheres, B., Willemsen, V., Two deeply conserved non-coding sequences control PLETHORA1/2 expression and coordinate embryo and root development, Plant Communications (2025), doi: https://doi.org/10.1016/j.xplc.2025.101466.

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

Regulatie van een afstand

Regulatie van een afstand

Luisterend naar presentaties van onderzoekers die genregulatie in dierlijke cellen bestuderen had ik altijd het gevoel dat ik iets miste in planten. Omdat in dierlijke genomen, regulatie elementen, die genen vertellen wanneer ze aan moeten staan, best wel ver afliggen van het gen dat ze reguleren. Gen en hun corresponderende regulatie element kunnen met gemak miljoenen basen uit elkaar liggen.

Bij planten is dit niet het geval. Daar is de promoter, het stukje sequentie dat voor het gen zit en nodig is om het gen aan of uit te zetten, vaak relatief kort, hooguit een paar duizend basen. Nu laat een nieuwe studie “Two deeply conserved non-coding sequences control PLETHORA1/2 expression and coordinate embryo and root development” zien dat ook planten van die gen regulerende elementen hebben.

Om uit te vinden of planten gen regulator elementen, ook wel consereved non-coded sequences genoemd, bevatten, analyseerde een groep van Nederlandse en Amerikaanse onderzoekers in 120 planten stukken van 20 000 basen stroomopwaarts van PLETHORA genen. PLETHORA genen zijn master regulators in de planten ontwikkeling. En daardoor, behoorlijk geconserveerd tussen planten.

Nodig voor expressie

Twee stukken van DNA sprongen eruit. De eerste, BOX1 genaamd, ligt het dichts bij de start van het PLETHORA gen, en is ongeveer 90 bases lang. De tweede, BOX2 ligt zo’n 100 basen verderop en is ongeveer 60 basen lang. Beide stukken DNA zijn bijna identiek in de meeste geanalyseerde planten.

Om na te gaan of het inderdaad regulator elementen zijn, de onderzoekers deden was onderzoekers wel vaker doen. Ze verwijderde BOX1, BOX2 of allebei. Ze ontdekte dat beide stukken waren nodig om PLETHORA 1 en 2 aan te zetten. Daarnaast groeide de wortels van planter zonder BOX1 en/of BOX2 niet of nauwelijks. Duidelijk suggererend dat BOX1 en BOX2 nodig zijn voor fatsoenlijke expressie van PLETHORA 1 en 2, en voor wortel groei.

Vervolgens keken de onderzoekers waar in de wortel PLETHORA actief is, en hoe BOX1 en BOX2 dit beïnvloeden. Door PLETHORA te koppelen met een fluorescent eiwit zagen de onderzoekers dat in afwezigheid van BOX1 PLETHORA niet langer in de wortelgroeikern aanwezig is. Terwijl de afwezigheid van BOX2 ervoor zorgde dat PLETHORA niet langer in de vaatbundels aanwezig is. De onderzoekers zagen dit niet alleen in zaailingen maar ook in ontwikkelende embryo’s.

Betere toegankelijkheid

De volgende vraag die de onderzoekers wilde beantwoorden was natuurlijk: Hoe reguleren de BOX1 en BOX2 elementen de genexpressie? De eerste hint die de onderzoekers kregen was bij het kijken van hoe toegankelijk het DNA was. Hierbij vonden ze dat, specifiek in de groei kernen van de plant, BOX1 en in iets mindere mate BOX2 ervoor zorgde dat het DNA makkelijker te bereiken was. Dit suggereert dat er iets is dat ervoor zorgt dat het DNA te bereiken blijft, de meest logisch veroorzakers: transcriptie factoren, of met andere woorden gen regulators.

Een hint om welke gen regulators het kunnen zijn kregen de onderzoekers toen ze de sequentie avan BOX1 en BOX2 bestudeerde. Deze bleken patronen te bezitten die PLETHORA eiwitten binden. Ja, dat las je goed. De PLETHORA eiwitten binden aan de regulator elementen van hun eigen genen. Hierdoor creëren ze een zogenaamde auto-regulator feedback loop.

Nu is dit maar een studie waarbij al het bevestigende werk gedaan is in de lab rat onder de planten: Arabidopsis. Maar, het zal me niets verbazen als in aanvulling op de regulator patronen die gen regulatoren binden, planten genen ook van langere stukken regulator elementen hebben.

Literatuur

Kerstens, M., Boele, Y., Moralez-Cruz, A., Roelofsen, C., Wang, P., Baumgart, L.A, O’Malley, R., Sanchez-Perez, G., Scheres, B., Willemsen, V., Two deeply conserved non-coding sequences control PLETHORA1/2 expression and coordinate embryo and root development, Plant Communications (2025), doi: https://doi.org/10.1016/j.xplc.2025.101466.

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.

How plants make aspirin

How plants make aspirin

When I started working with willow mid 2013, I was surprised that it was still unknown how plants make salicylic acid, a.k.a. the precursor of aspirin. Tea of willow bark, amongst others, is used for centuries before in 1828 the German scientist Johann Buchner extracted a willow-derived compound called salicin, which later came on the market as aspirin.

In 2001 the starting point of the pathway for salicylic acid production in the model plant Arabidopsis was found. But this turned out to be brassica specific. Now not one but three research groups out of China, with some collaboration with US and Canadian researchers, found out how the rest of the plants make salicylic acid.

Salicylic acid is not only a precursor to aspirin, but also an important signalling molecule involved in plant immunity. It functions like a manager or regulator activating and steering the immune response when there is an infection. Knowing how salicylic acid is made therefore can help breeders to develop plants that are better protected against pathogens.

So how did the researchers discover the pathways? Each of the three groups used a different approach. Two of them worked out the production of salicylic acid in rice, which has even under non-infected conditions high levels of the stuff. The third group used Nicotiana benthamiana as a model to figure out the pathway. I can’t go into details of how the third group elucidated the pathway, as their article is behind a paywall. But here they are for the other two.

Approach #1

The tactic if the first group was to find out which genes showed a co-expression profile with one of the genes early in the pathway known to ultimately lead to salicylic acid production. They identified the subsequent genes based on the predicted enzymatic function they needed to perform. Followed by checking if the enzyme produced by the gene indeed worked as expected.

The main hurdle in this process, was the earlier suggestion that benzoic acid is direct precursor of salicylic acid. On paper this is not too far-fetched. The only difference between the two molecules is a hydroxy (-OH) group that salicylic acid has attached to it ring. But the actual pathway did not appear to be that simple.

To find out if the synthesis route goes via benzoic acid the researchers analysed the levels of benzoic acid and salicylic acid. They did this for each of the different mutants that are defect in the early steps of the pathway. In addition, using those same mutants, the researchers did a feeding study to see if intermediate products could restore salicylic acid and benzoic acid levels. Finding that while salicylic acid levels could be restored in the mutants using the feeding approach, those of benzoic acid could not.

Approach #2

The approach of the second group nicely complements that of the first group. They identified mutant plants that did no longer produce salicylic acid. Subsequently they identified the genes responsible for the mutation. Followed by the confirmation of the function of the identified enzymes.

Like the first group this group assumed that benzoic acid was a precursor of salicylic acid. They tested for that with the enzymes identified in the mutant screen. And like the first group they found that actually, the pathway is slightly different.

After having found the enzymes responsible for the different steps of the pathway, both groups checked their presence in other plants. Finding that all of the discovered enzymes are present in most of the plants with exception of the brassicas, to which Arabidopsis belongs.

With the unravelling of this pathway, salicylic acid for aspirin can now be produced in a biological way. But more importantly, it also gives breeders a starting point in developing plants that are more broadly protected against pathogens.

Literature

Wang, Y., Song, S., Zhang, W. et al. Deciphering phenylalanine-derived salicylic acid biosynthesis in plants. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09280-9

Zhu, B., Zhang, Y., Gao, R. et al. Complete biosynthesis of salicylic acid from phenylalanine in plants. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09175-9

Liu, Y., Xu, L., Wu, M. et al. Three-step biosynthesis of salicylic acid from benzoyl-CoA in plants. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09185-7

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

Hoe planten aspirine maken

Hoe planten aspirine maken

Ik was verrast, toen ik halverwege 2013 aan wilgen begon te werken, dat het nog steeds onbekend was hoe planten salicylzuur, de voorloper van aspirine, maken. Thee van wilgenbast werd al eeuwenlang gebruikt toen in 1828 de Duitse onderzoeker Johann Buchner salicin, een stof die later op de markt kwam als aspirine, uit wilgen zuiverde.

In 2001 vonden onderzoekers het beginpunt van de biosynthese van salicylzuur in de model plant Arabidopsis. Maar later bleek dat dit alleen voor planten van het genus brassica gold. Nu hebben niet een maar drie groepen uit China, in samenwerking met Amerikaanse en Canadese onderzoekers, gevonden hoe de rest van de planten salicylzuur maken.

 Salicylzuur is niet alleen een uitgansstof voor aspirine, maar ook een belangrijk signaal molecuul voor de immuniteit van planten. It functioneert als een manager of regelaar tijdens een infectie en stuurt de immuunreactie aan. Voor het ontwikkelen van planten die beter tegen ziektekiemen beschermd zijn, helpt daarom om te weten hoe de plant salicylzuur maakt.

Zo hoe hebben de onderzoekers ontdekt hoe de plant salicylzuur maakt? Elk van de drie groepen gebruikte een andere aanpak. De eerste twee ontrafelde het proces in rijst, dat zelfs onder niet-geïnfecteerde omstandigheden grote hoeveelheden salicylzuur aanmaakt. De derde groep gebruikte Nicotiana benthamiana als een model om het proces te ontrafelen. Ik kan helaas op de derde groep verder niet ingaan omdat het artikel achter een betaalmuur staat. Maar hier hieronder de tactieken van de andere twee groepen.

Aanpak#1

De tactiek van de eerste groep was om na te gaan welke genen hetzelfde expressie profiel vertoonde als een van de genen vroeg in het proces. Ze pikte vervolgens de genen eruit die naast het expressie profiel ook overeenkwamen met het type enzymen die nodig waren voor de productie. Dit volgde de onderzoekers op door na te gaan of de enzymen waar de genen voor codeerde ook daadwerkelijk de reacties deden.

Het voornamelijkste obstakel was de eerder gedane suggestie dat benzoëzuur een uitgangsstof van salicylzuur is. Op papier is dat eigenlijk best logisch. Het enige verschil tussen de twee is een hydroxy (-OH) groep dat salicylzuur aan z’n ring heeft zitten. Maar voor het eigenlijke proces bleek dat te simpel.

Om uit te vinden of de biosynthese via benzoëzuur verloopt analyseerde de onderzoekers hoeveel salicylzuur en benzoëzuur er aanwezig was. Hiervoor gebruikte ze verschillende mutanten die een van de vroege stappen in het proces niet deden. Daarnaast, gebruikmakend van dezelfde mutanten, deden de onderzoekers een voedingsstudie om te kijken of tussenproducten het niveau van salicylzuur en benzoëzuur kon herstellen. Daarbij vonden de onderzoekers dat alhoewel met de voedingsaanpak het salicylzuur niveau herstelt kon worden in de mutanten, dit niet het geval was voor het niveau van benzoëzuur.

Aanpak #2

De aanpak van de tweede groep complementeert die van de eerste groep. De tweede groep identificeerde mutanten die geen salicylzuur maakten. Waarna de onderzoekers de gemuteerde genen identificeerde. Opgevolgd door een bevestiging van de functie van de door de genen geproduceerde enzymen.

Net als de eerste groep gingen ze er in eerste instantie van uit dat benzoëzuur een uitgangsstof van salicylzuur was. Ze testte of de enzymen geïdentificeerd met behulp van de mutanten salicylzuur uit benzoëzuur kon maken, wat niet het geval bleek te zijn. De biosynthese verliep net even anders.

Nadat de onderzoekers de enzymen voor de verschillende stappen van salicylzuur biosynthese gevonden hadden, gingen beide groepen na of deze ook in andere planten aanwezig waren. Ze vonden dat alle gevonden enzymen ook in ander planten aanwezig waren, met uitzondering de brassica’s, waartoe ook Arabisopsis behoord.

Met het ontrafelen van het biosynthese proces is het mogelijk om salicylzuur voor aspirine op biologische wijze te produceren. Maar het geeft vooral veredelaars een startpunt om planten te ontwikkelen met een bredere bescherming tegen ziektekiemen.

Literatuur

Wang, Y., Song, S., Zhang, W. et al. Deciphering phenylalanine-derived salicylic acid biosynthesis in plants. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09280-9

Zhu, B., Zhang, Y., Gao, R. et al. Complete biosynthesis of salicylic acid from phenylalanine in plants. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09175-9

Liu, Y., Xu, L., Wu, M. et al. Three-step biosynthesis of salicylic acid from benzoyl-CoA in plants. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09185-7

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.