Turning red

Turning red

Plants are wonderful chemical factories. So when synthetic food dyes get banned it is only logical to look for plant produced alternatives, like betalain which is naturally produced by beetroots and their relatives. A new study by American researchers explores the possibility of getting other plant species to produce betalain.

Betalains are behind your red stained fingers after peeling or cutting beetroots. They make an excellent alternative to synthetic red food dyes. The only problem, beetroots don’t store well. To both increase betalain production and storability the researchers explored if they could get other plants to produce it, focussing on Arabidopsis, tobacco and soybean.

Beetroots produce betalain via L-DOPA from tyrosine. So, to get other plants to produce betalain researchers have roughly two approaches. The first is they give the plants just the genes needed for the production of betalain from tyrosine. This is called the “pull” approach as it is pulling tyrosine away from its regular downstream use. The second approach is called a “Push & Pull” approach as it is in addition to pulling tyrosine away, it is also pushing the production of tyrosine upwards, using this approach the researchers also give the plants the instructions to produce extra tyrosine. The researchers wanted to analyse the effects of each approach separately, but for simplicity I focus here in the “Push & Pull” approach.

Ruby red plants

At first, the researchers failed miserably, no stable transgenic betalain producing plants could be produced. Investigating this the researchers found out that while L-DOPA was produced this wasn’t used to produce betalain. So, they did some tweaking to the construct they gave the plant so that it would produce about twice the amount of the enzymes needed for the production of betalain from L-DOPA then the amount of the enzymes it produced for the production of L-DOPA from tyrosine. This seemed to do the trick. The plants with the “Push & Pull” construct turned their stems and leaves ruby red.

For tobacco plants this worked reasonably well, although they where slightly smaller than normal tobacco plants. For soybeans this approach appeared to work even better, with no hint of a smaller statue. However not all seeds of the next generation germinated and the ones that did where hemizygous, meaning that they inherited only one copy of the “Push & Pull” construct. While this is no problem for the current generation, it means that not all seeds of the subsequent generation will carry the genes needed to produce betalain. For Arabidopsis it didn’t work out that well. The freshly transformed plants, although ruby coloured, had lots of growth defects and failed to produce any seeds.

Some extra tweaking needed

So, although the betalain production worked well in soybean and tobacco, there where still some things to optimise. The growth defects and the inability to produce viable seeds suggest toxicity. This toxicity likely occurs through a build up of produced precursors and intermediates and damages the plant. This suggests that the timing of when the extra tytosine production starts and when the production of betalain starts needs to be better coordinated, for example with constructs that start the extra tyrosine production only after the seeds have germinated. This is one of the things that the researchers plan to test next.

So, it is possible to get other plant species to produce the ruby red betalain. However, as this study shows not all species are equally well suited for it. But before betalain can be produced at scale by other plants than beetroot, there is still some tweaking of the “Push & Pull” approach to be done. So that each generation of ruby red plants are just as likely to germinate and inherit the betalain producing genes as the previous one.

Literature

Soyoung Jung, Marcos V V de Oliveira, Ray Collier, Abou Yobi, Ruthie Angelovici, Shawn M Kaeppler, Hiroshi A Maeda, Chassis Selection and Metabolic Fine-Tuning Enable Efficient in planta Betalain Production, Plant Physiology, 2026;, kiag337, https://doi.org/10.1093/plphys/kiag337

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

Rood kleuren

Rood kleuren

Planten zijn fantastische chemische fabrieken. Dus wanneer synthetische voedselkleurstoffen verboden worden is het niet meer dan logisch om naar door planten geproduceerde alternatieven te kijken. Zoals bijvoorbeeld betalain, van nature gemaakt door bieten en hun familie. Een nieuwe studie van Amerikaanse onderzoekers verkent de mogelijkheden om betalain door andere planten te laten produceren.

Betalain is de kleurstof die je vingers rood kleuren bij het snijden van bietjes. Ze zijn dus een uitstekend alternatief voor synthetische rode kleurstoffen. Het enige probleem is, bieten bewaren is een beetje een dingetje. Om zowel de betalain productie op te schroeven als de opslag makkelijker te maken verkende de onderzoekers of ze andere planten zo ver konden krijgen om het te produceren. Met de focus op Arabidopsis, tabaksplanten en sojabonen.

Bieten produceren betalain door tyrosine om te zetten in L-DOPA en vervolgens in betalain. Om andere planten betalain te laten produceren hebben onderzoekers grofweg twee opties. De eerste is het geven van de benodigde genen om betalain te kunnen produceren uit tyrosine. Dit wordt ook wel een “pull” aanpak genoemd, omdat het de tyrosine weghaalt waar de plant het normaal gezien voor gebruikt. De tweede aanpak wordt de “push & pull” aanpak genoemd, omdat het niet alleen tyrosine weghaalt waar het normaal wordt ingezet, maar ook nog eens de aanmaak van tyrosine opschaalt. De onderzoekers analyseerde de effecten van elke aanpak apart, maar om het simpel te houden bespreek ik hier alleen de “push & pull” aanpak.

Ruby rode planten

In het begin faalde de onderzoekers gigantisch. Er werden geen stabiele transgene betalian producerende planten geproduceerd. Dit onderzoekend vonden de onderzoekers dat alhoewel L-DOPA geproduceerd werd, dit niet voor de productie van betalain gebruikt werd. Dus paste ze het construct dat ze aan de planten gaven zo aan dat het twee keer de hoeveelheid enzymen produceerde die L-DOPA omzette in betalain dan enzymen die tyrosine omzetten in L-DOPA. Dit lijkt het te werken. Planten met het “push & pull” construct kleurde ruby rood.

Voor tabaksplanten werkte dit redelijk, al waren ze net iets kleiner dan normale tabaksplanten. Voor sojabonen lijkt de aanpak zelfs nog beter te werken, de planten waren net zo groot. Maar niet alle zaden van de volgende generatie ontkiemde, en diegene die dat wel deden waren hemizygoot, wat betekend dat ze maar een kopie van het “push & pull” construct erfde. En alhoewel dit geen probleem is voor de huidige generatie, betekent het dat niet alle zaden van de volgende generatie de genen hebben om betalain te produceren. Voor Arabidopsis pakte de aanpak om betalain te produceren niet goed uit. De planten, ook al waren ze ruby rood, hadden veel groeidefecten en produceerden geen zaden.

Nog wat extra aanpassingen nodig

Dus alhoewel de betalain productie goed werkte in sojabonen en tabaksplanten waren er nog een paar dingen om te optimaliseren. De groeidefecten en het falen om levensvatbare zaden te produceren suggereert toxiciteit. Waarschijnlijk komt deze toxiciteit door de opeenstapeling van tussenproducten die de plant beschadigen. Dit suggereert dat de timing van wanneer de extra tyrosine productie start en wanneer de betalain productie start beter op elkaar afgestemd moeten worden, door bijvoorbeeld de extra tyrosine productie pas te laten beginnen nadat de zaden zijn ontkiemd. Dit is dan ook een van de dingen die de onderzoekers nu gaan testen.

Dus het is mogelijk om ander plantensoorten de ruby rode betalain te laten produceren. Al is het wel zo, zoals deze studie aantoont, dat niet alle soorten er even geschikt voor zijn. Maar voordat betalain op grote schaal door andere planten dan bieten geproduceerd kan worden zijn er nog wat aanpassingen nodig in de “push & pull” aanpak. Zodat elke generatie ruby rode planten net zo veel kans maken om te ontkiemen en de betalain producerende genen te erven als de vorige.

Literatuur

Soyoung Jung, Marcos V V de Oliveira, Ray Collier, Abou Yobi, Ruthie Angelovici, Shawn M Kaeppler, Hiroshi A Maeda, Chassis Selection and Metabolic Fine-Tuning Enable Efficient in planta Betalain Production, Plant Physiology, 2026;, kiag337, https://doi.org/10.1093/plphys/kiag337

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.

Switching from 2D into 3D

Switching from 2D into 3D

Life as we know it happens in 3D. So, when a group of international researchers found a gene that appears to have a role in the transition from 2D into 3D development they where excited.

The shift from 2D life into 3D life was an essential ingredient for the colonization of land by plants. In essence it is one of the foundations of life as we currently know it. This happened around 470 million years ago.

So, it is understandable that scientist want to know more about how plants shift from developing on a 2D plane and start growing into 3D. To study this they have turned to the moss Physcomitrium patens, which has a 2D growth phase that can be maintained in essence indefinitely, and a 3D growth phase that they use for reproduction but is not needed for survival.

Strange looking proteins

However, this study did not start with analysing that transition in particular. The researchers had set out to study the mosses MAPK proteins, which add a phosphate group to proteins they regulate. While characterising those they stumbled on two odd looking ones. They were way larger. Looking closely, they noticed that these MAPK proteins where fused with so called NATD proteins, which add acetyl groups to proteins for regulation.

Naturally the researchers wanted to find out what those fusion proteins, which they called RAK1 and 2, do. So they deleted them. While moss without RAK2 could not survive, moss without RAK1 did.

Studying those RAK1 missing moss plants closely, the researchers noticed that they formed less 3D buds. Zooming in showed that the development of those buds stopped at the stage when division shifted from a 2D plane into a 3D one. Suggesting that RAK1 is needed for this 2D into 3D shift.

No universal switch

Now the question was what does RAK1 exactly do. Remember that RAK1 is made up of two types of proteins that both modify other proteins to regulate their activity. The researchers found that RAK1 could do both, adding a phosphate group and adding an acetyl group. While the researchers found that for lots of proteins in RAK1 missing moss plants had a different modification compared to those in moss plants with RAK1, they don’t believe RAK1 is responsible for all of them. Just a handful of well-placed proteins could function as a starting point, whit those proteins affection the modifications on other proteins.

So in moss RAK1 regulates the proteins involved in switching from a 2D cell division plane into a 3D one. But what about other 3D plants? That is where the excitement stops, as the researchers only found RAK genes in closely related moss species. Suggesting that in most plants the switch from 2D into 3D is not a single gene.

So what does this all mean? It means that mosses that go from a 2D phase into a 3D phase have a protein that coordinates this. It doesn’t mean that they have found a universal switch that turns 2D life into 3D.

Literature

de Luxán-Hernández, C., Ammitsøe, T.J., Kanne, J.V., Stanimirovic, S., Redondo-Rodríguez, R., Roux, M.E., Zhang, L., Weeks, Z., Schutzbier, M., Dürnberger, G., Roitinger, E., Spadiut, O., Ishikawa, M., Hasebe, M., Moody, L.A., Dagdas, Y.F., Rodriguez, E. and Petersen, M. (2026), An N-acetyltransferase-MAPK fusion protein modulates developmental reprogramming in Physcomitrium patens. New Phytol, 251: 321-339. https://doi.org/10.1111/nph.71214

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

Switchen van 2D naar 3D

Switchen van 2D naar 3D

Het leven zoals we dat kennen is in 3D. Dus toen een internationale groep onderzoekers een gen vonden die een rol lijkt te hebben in de transitie van 2D naar 3D waren ze logischerwijs opgewonden.

De omschakeling van 2D leven naar 3D leven was een essentieel onderdeel van de kolonisatie van land door planten. In essentie is het onderdeel van de fundering van het leven zoals we dat op dit moment kennen. Dit gebeurde allemaal zo’n 470 miljoen jaar geleden.

Dus het is begrijpelijk dat onderzoekers meer willen weten hoe planten switchen van groeien in 2D naar groeien in 3D. Om dit te onderzoeken maken onderzoekers gebruik van het mos Physcomitrium patens. Dit mos heeft een 2D groeifase die oneindig door kan gaan, en een 3D groeifase die het gebruikt om zich voort te planten maar niet nodig is om te overleven.

Raar uitziende eiwitten

Toch begon dit onderzoek niet met het analyseren van deze overgang. De onderzoekers begonnen met het bestuderen van de in het mos aanwezige MAPK eiwitten, deze voegen een fosfaat groep toe aan de eiwitten die ze reguleren. Terwijl ze die aan het karakteriseren waren struikelde ze over twee raar uitziende eiwitten. Deze eiwitten waren groter. Maar toen de onderzoekers ze goed bestudeerde zagen ze dat deze MAPK eiwitten gefuseerd waren met zogenaamde NATD eiwitten, die een acetyl groep toevoegen aan de eiwitten die ze reguleren.

Logischerwijs wilde de onderzoekers uitzoeken wat deze fusie eiwitten, die ze RAK1 en 2 noemde, doen. Daarom verwijderde de onderzoekers de eiwitten. Mos zonder RAK2 overleefde het niet, maar mos zonder RAK1 wel.

Bij bestudering van die RAK1 missende mosplanten zagen de onderzoekers dat deze minder 3D knoppen vormde. Inzoomend zagen ze dat de ontwikkeling van deze knoppen stopte op het moment dat de deling veranderde van een 2D richting in een 3D richting. Suggererend dat RAK1 nodig is voor deze verschuiving van 2D naar 3D.

Geen universele schakelaar

Nu was de vraag wat doet RAK1 nu precies. Nu is RAK1 een fusie eiwit van twee soorten eiwitten die allebei andere eiwitten modificeren om hun activiteit te reguleren. De onderzoekers vonden dat RAK1 beide modificaties kon doen. Zowel het toevoegen van een fosfaat groep als het toevoegen van een acetyl groep. En terwijl de onderzoekers veel eiwitten vonden in RAK1 missende mosplanten met een ander modificatie dan in mosplanten met RAK1, denken ze niet dat RAK1 ze allemaal modificeert. Enkel een handvol goed geplaatste eiwitten kunnen als begin punt functioneren, waarbij deze eiwitten weer de modificatie van de andere eiwitten beïnvloeden.

Dus in mos reguleert RAK1 de eiwitten betrokken bij het switchen van een 2D celdeling oriëntatie naar een in 3D. Maar hoe zit het in andere 3D planten? Dat is precies waar de opwinding stopt, de onderzoekers vonden alleen RAK genen in nauw verwante mos soorten. Wat suggereert dat in de meeste planten de overgang van 2D naar 3D niet reguleren met een enkel gen.

Wat betekent dit dan allemaal? Het betekent dat mossen die van een 2D naar een 3D fase gaan een eiwit hebben die dit allemaal coördineert. Maar het betekent niet dat de onderzoekers een universele schakelaar hebben gevonden van 2D naar 3D.

Literatuur

de Luxán-Hernández, C., Ammitsøe, T.J., Kanne, J.V., Stanimirovic, S., Redondo-Rodríguez, R., Roux, M.E., Zhang, L., Weeks, Z., Schutzbier, M., Dürnberger, G., Roitinger, E., Spadiut, O., Ishikawa, M., Hasebe, M., Moody, L.A., Dagdas, Y.F., Rodriguez, E. and Petersen, M. (2026), An N-acetyltransferase-MAPK fusion protein modulates developmental reprogramming in Physcomitrium patens. New Phytol, 251: 321-339. https://doi.org/10.1111/nph.71214

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.