Plant en Zo

A genetic roadmap of a barley spikelet

In their study in how things work each generation of scientists zooms in deeper. When studying living organisms this is not surprising, as the more we learn the more we realize that tissues are not homogenous, and that cell fates are often determined before any outward markers are visible. One of such zoom in experiment is that of a group of German researchers who mapped the gene expression of individual barley spikelet cells.

When looking at a developing barley spikelet, on which the flowers and subsequent seeds develop, different stem cell types can be seen. They are organised like rungs of a ladder, with on the top cells with the inflorescent meristem identity. These cells can still develop in all the different cell types present in the spikelet. But going down the ladder they become more specialised. For some specializations the endpoint is halfway down the ladder, others don’t reach their destination till they reached the ground, like those of the developing stamen.

At each step down the ladder gene expression decisions are made that influence into what kind of cell the cell develops next. And it is those decisions that the researchers wanted to discover.

Single cell gene expression

Now one way of finding out which genes are expressed at each stage of the development is to extract the RNA from the whole spikelet and put through the sequencer. This will give you the changes in gene expression alright. But considering that the developing spikelet, containing all those development stages is only a few millimetres big, what you get is just the average difference for the average developmental stage. From this it is impossible to distinguish between decisions of individual cells.

To overcome that problem the researchers did things a little different. They still harvested the whole spikelet. But then the cut up the spikelet with cell wall digesting enzymes, giving them a slurry of individual cells. Subsequently the researchers determined for each individual cell which genes were active.

Creating a map

Based on that the researchers could cluster the cells to different groups, like a group of phloem cells. But they did not know yet where on the spikelet those cells originated from. To find out, and to give a more detailed label to each group, the researchers selected 100 genes which could function as a marker. For 86 of those and actual marker was developed, and 81 of the markers found a match on the barely spikelet. Giving them a gene expression atlas of the developing barley spikelet.

But that was not all, because the developing barley spikelet contains all the developing stages, from inflorescent meristem all the way up to the developing stamen and gynoecium, the female parts of the flower, this atlas is also a genetic roadmap for its development.

Literature

Demesa-Arevalo, E., Dӧrpholz, H., Vardanega, I. et al. Imputation integrates single-cell and spatial gene expression data to resolve transcriptional networks in barley shoot meristem development. Nat. Plants 12, 107–124 (2026). https://doi.org/10.1038/s41477-025-02176-6

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

Genetische kaart van een gerst-aartje

Tijdens hun studie naar hoe dingen werken zoomt elke generatie onderzoekers dieper in. Voor de studie van levende organismes is dit niet verrassend als hoe meer we leren hoe meer we realiseren dat weefsels niet homogeen zijn, en dat het lot van de cel vaak al beslist is voordat de uiterlijke kenmerken dat doorgeven. Een zo’n dieper inzoom experiment is dat van een groep van Duitse onderzoekers die de genexpressie van individuele cellen van gerst-aartjes in kaart brachten.

Bestudering van een zich ontwikkelende gerst-aartje, waaraan de bloemen en vervolgens zaden groeien, laat verschillende soorten stamcellen zien. Op de aar zijn die georganiseerd als sporten van een ladder, met boven aan de cellen met een bloei groeikern identiteit. Deze cellen kunnen zich nog ontwikkelen tot alle in de aar aanwezige cellen. Maar bij het afdalen van de ladder raken de cellen meer en meer gespecialiseerd. Voor sommige specialisaties is het eindpunt al halverwege de ladder, andere bereiken hun bestemming pas wanneer ze de op de grond komen, zoals die van de ontwikkelende meeldraden.

Bij elke stap naar benden worden genexpressie beslissingen gemaakt die beïnvloeden in wat voor cel de cel zich vervolgens tot ontwikkeld. Het zijn deze beslissingen waarin de onderzoekers geïnteresseerd in zijn.

Enkele cel genexpressie

Nu is een manier om erachter te komen welke cellen actief zijn gedurende elk stadium van de ontwikkeling de extractie van RNA van de hele aar en deze vervolgens door de sequencer te halen. Dit geeft je een prima overzicht van de veranderingen in genexpressie. Maar gezien dat de ontwikkelende aar, met alle verschillende ontwikkelingsstadia maar een paar millimeter groot is, krijg je hier enkel het gemiddelde verschil voor de gemiddelde ontwikkelingsstadia. Wat het onmogelijk maakt om onderscheid te maken tussen de beslissingen van individuele cellen.

Om dit probleem te verhelpen deden de onderzoekers het anders. Ze bemonsterde nog steeds de hele aar. Maar daarna knipte ze de aar op met behulp van celwand verterende enzymen, resulterend in een slurry van individuele cellen. Van deze cellen bepaalde de onderzoekers elk afzonderlijk welke genen actief waren.

Het maken van een kaart

Op basis van die genexpressie konden de onderzoekers de cellen groeperen in verschillende groepen, zoals een groep voor het floëem. Maar dat vertelde ze nog niet waar op de aar de cellen vandaan kwamen. Om dat uit te vinden, en voor een gedetailleerde label voor elke groep, selecteerde de onderzoekers 100 genen die als merker konden functioneren. Voor 86 van deze lukte het om een merker te maken en 81 van die merkers vonden een match op de gerst-aar. Dit gaf de onderzoekers een genexpressie atlas van de ontwikkelende gerst-aar.

Maar dat was nog niet alles. Omdat de ontwikkelede gerst-aar alle verschillende ontwikkelingsstadia bevat, van het begin van de bloeistengel tot de ontwikkelende meeldraden is deze atlas ook een kaart voor z’n ontwikkeling.

Literatuur

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.

Synchronised flowers

Plants synchronise the opening of their flowers with the scent production of those flowers. But how this is regulated is still not completely clear. Now a group of Korean researchers found the circadian gene that coordinates this synchrony.

The flowers of the coyote tobacco (Nicotiana attenuata) have a clear distinct rhythm. When they are ready, they open only at night for two, maybe three nights in a row. They close again during the day. In addition, at night, when they are open, the flowers emit benzylacetone to attract pollinators like the hawkmoths.

In order to find out how the plant regulates this, the researchers created two mutant plants that missed a functional clock gene. The first, missing LHY, opened its flowers two hours ahead of schedule. The second, missing ZTL, kept to the schedule, but only partially opened its flowers and emitted hardly any scent.

Master regulator

Using these two mutants the researchers then set out to find the gene that regulates LHY, ZTL, flower opening and scent emission. They did this by looking at the genes that were active during the time of flower opening and scent emission under normal conditions, but not in the LHY and ZTL missing plants. This allowed them to narrow the possible genes down to two: COL5 and BBX24.

To find out which of the two was the likely master switch, the researchers looked at where in the plant they were active. Finding that BBX24 was active in the stem, leaves, pedicel, and style. COL5 in contrast was mainly active in the corella, also called petals. As it are the petals that move when flowers open, the researchers investigated COL5 further.

The researchers subsequently analysed plants without COL5. Finding that these just like plants missing ZTL, plants missing COL5 did not completely open their flowers. They also produced hardly any scent. The reason behind the only partial opening of the flowers turned out to be that the cells on the inside of the petal (when the flower was closed) of plants without COL5 did not stretch that much during the opening of the flower as they did in plants with COL5. This restricted the movement of the petals.

Also in Petunia

Lastly the researchers wanted to find out if COL5 has a similar function in related plants. Therefore, the researchers looked up this gene in petunia. Petunia flowers, like those of coyote tobacco, emit scent during the night. Although the flowers once opened don’t close during the day. When the researchers created COL5 missing petunia plants, they found that these plants also had a reduced scent production during the night.

Moreover, by studying the flowers of petunia more closely, the researchers found that petunias do move the petals of their flowers in a day and night rhythm. At night the petals are curved backwards, as if the plant likes to open its flower even more than it already is. Sowing that petunia, just as coyote tobacco, synchronises its flower opening with scent emission.