Juvenile roots

Plant & zo

The science of plants and more


Juvenile roots

Plants, just like humans, go through different life stages. After germination they start off as a seedling, and subsequently grow into a mature plant which, when the circumstances are right, flowers and forms seeds. These phases are good to distinguish for the above ground part of the plant. And we know how a plant regulates the transition between the phases. Less clear is the question if roots have different life phases as well, and how a plant regulates that transition. Now a group of American researchers with help from researchers out the Netherlands and England found out.

In shoots and leaves micro RNAs (miRNAs) decide if seedling or adult genes are turned on. The juvenile miRNA miRNA156 represses the adult genes, while the mature miRNA172 represses the juvenile genes. And miRNA156 also repress miRNA172. But while a plant matures the amount of miRNA156 reduces , and slowly miRNA172 can turn on the adult genes. At least that is how the plants regulates the transition above ground.

To check if miRNA156 is also below ground promoting youth, the researchers studied roots of plants that make more miRNA156. They noticed that when there was more miRNA156, the roots were longer and more branched. In just germinated seedlings, with normal levels of miRNA156, miRNA156 was found in the whole root. But when the plant gets older, miRNA156 disappears from the root tip, where the growth centre of the root is located. Contrasting, in roots of plants with more miRNA156, miRNA156 stays longer in the root tip.


Also in roots represses miRNA156 the adult genes


To find out how this influences root growth and branching the researchers analysed the expression of growth region gene PLETHORA 2. This gene is needed to prevent specialisation of stem cells in the growth region. The researchers noticed that under normal circumstances the amount of PLETHORA2 is more or less constant, only around the third day after germination the amount of PLETHORA 2 temporally increases. This temporally increase of PLETHORA 2 allows the growth region to expand, and for thicker roots. This expansion, so observed the researchers, stops as soon as the levels of PLETHORA 2 return to their normal values.

But in presence of more miRNA156 the researchers observed that the amount of PLETHORA 2 is lower. Not only that, only round the fourth day after germinating the amount of PLETHORA 2 temporally increased, but to lower levels than it normally would. This not only affected the size of the growth region, but also the number of root branches.

Subsequently the researchers analysed if the increased number of root branches was a direct effect of reduced levels of PLETHORA 2. Plants with less PLETHORA 2 had more root branches that the control plants. In contrast plants with more PLETHORA 2 the researchers observed less root branches. Suggesting that the amount of PLETHORA 2 indeed influences the number of root branches.

Altogether, this suggests that also in roots miRNA156 is repressing adult genes, like PLETHORA 2. And can we in roots distinguish different life phases of a plant. As the plant matures it gets thicker roots, and less root branches. Ready for a new phase of its life.

Literature

Marta J. Laskowski, Helene C. Tiley, Yiling Fang, Anabel Epstein, Yuyang Fu, Roberto Ramos, Thomas J. Drummond, Renze Heidstra, Priyanka Bhakhri, Tobias I. Baskin, Ottoline Leyser (2022) The miR156 juvenility factor and PLETHORA 2 form a regulatory network and influence timing of meristem growth and lateral root emergence. Development 149 (21): dev199871. doi: https://doi.org/10.1242/dev.199871

Jeugdige wortels

Plant & zo

Plantenwetenschap en meer


Jeugdige wortels

Net als mensen gaan planten door verschillende levensfasen. Na het ontkiemen beginnen ze als zaailing en groeien vervolgens uit tot een volwassen plant die, wanneer de omstandigheden gunstig zijn, gaat bloeien en zaden vormt. Deze stadia zijn in het bovengrondse gedeelte van de plant goed te onderscheiden. En we weten hoe de plant de overgang tussen de fasen reguleert. Minder duidelijk was of wortels ook verschillende levensfasen hebben, en hoe de plant de overgang daarvan regelt. Een groep Amerikaanse onderzoekers met hulp van onderzoekers uit Nederland en Engeland zochten het uit.

Bovengronds bepalen micro RNAs (miRNAs) of er zaailing of volwassen genen aangaan. De jeugdige miRNA miRNA156 onderdrukt de volwassen genen, terwijl het volwassen miRNA172 de zaailing genen onderdrukt. miRNA156 onderdrukt ook miRNA172. Maar met het ouder worden verminderd de hoeveelheid miRNA156, en kan miRNA172 geleidelijk de volwassen genen aanzetten. Tot zover hoe het er boven de grond aan toe gaat.

Om te kijken of miRNA156 ook onder de grond de eeuwige jeugd bevorderd keken de onderzoekers naar de wortels van planten die meer miRNA156 aanmaken. Ze zagen dat wanneer er meer miRNA156 aanwezig was de wortels langer en meer vertakt waren. Normaal, in net ontkiemde zaailingen zit miRNA156 in de hele wortel, maar met het ouder worden verdwijnt miRNA156 uit de worteltip. Maar in wortels met meer miRNA156 zagen de onderzoekers dat miRNA156 langer in de worteltip bleef zitten.


Ook in wortels onderdrukt miRNA156 de volwassen genen


Om uit te zoeken hoe dit de groei en vertakkingen van de wortels beïnvloed bestudeerde de onderzoekers de expressie van de groeikern gen PLETHORA 2 in de worteltip. Dit gen is nodig om te voorkomen dat de stamcellen in de groeikern zich gaan specialiseren. Onder normale omstandigheden is de hoeveelheid PLETHORA 2 grotendeels constant, alleen rond de derde dag na ontkieming neemt de hoeveelheid even toe om daarna weer terug te keren naar de beginwaarden. Het tijdelijk toenemen van PLETHORA2 geeft de groeikern de kans om te groeien. En voor dikkere wortels. Dit uitdijen stopt op het moment dat de hoeveelheid PLETHORA 2 weer omlaag gaat.

Maar wanneer met meer miRNA156 is de hoeveelheid PLETHORA 2 lager. Ook gaat pas later, rond de vierde dag, hoeveelheid PLETHORA 2 omhoog, maar minder dan onder normale omstandigheden. En dit, zo zagen de onderzoekers, had niet alleen een effect op de grote van de groeikern, maar ook op de hoeveelheid wortelvertakkingen.

Vervolgens onderzochten de onderzoekers of de toename van de hoeveelheid wortel vertakkingen een direct gevolg was van een verminderde hoeveelheid PLETHORA 2. Planten met die PLETHORA 2 onderdrukte hadden meer vertakkingen dan de controle planten. Terwijl planten met meer PLETHORA 2 juist minder vertakkingen hadden. Dit suggereert dat de hoeveelheid PLETHORA 2 inderdaad het aantal wortel vertakkingen beïnvloed.

Uit dit alles blijkt dat ook in wortels onderdrukt miRNA156 de volwassen genen. En kunnen we verschillende levensfasen van de plant onderscheiden. Met het volwassen worden van de plant, krijgt deze dikkere wortels, en vormt minder vertakkingen. Klaar voor een nieuwe fase van z’n leven.

Literatuur

Marta J. Laskowski, Helene C. Tiley, Yiling Fang, Anabel Epstein, Yuyang Fu, Roberto Ramos, Thomas J. Drummond, Renze Heidstra, Priyanka Bhakhri, Tobias I. Baskin, Ottoline Leyser (2022) The miR156 juvenility factor and PLETHORA 2 form a regulatory network and influence timing of meristem growth and lateral root emergence. Development 149 (21): dev199871. doi: https://doi.org/10.1242/dev.199871

Shape shifting RNA

Plant & zo

The science of plants and more


Shape shifting RNA

For lots of plants it is important to know when it is winter, and when winter is gone. They adjust their growth accordingly. Plants, for example, often flower only after they have gone through a period of cold. We know lost about how plants are regulating this. But how plants perceive cold remains a question to be answered.

Now researchers from England showed how one of the regulators of flowering is changing shape when the temperature changes. The regulator in question is the RNA molecule COOLAIR. COOLAIR influences how much of the flower-repressor is present. Is it warm, then COOLAIR allows lots of the flower-repressor. But is it cold, then COOLAIR is turning off the flower-repressor, allowing the plant to flower. But how COOLAIR is doing this was up to now unknown.

Just like proteins RNA-molecules fold into shape. The shape of proteins is largely temperature independent. In contrast the shape of RNA molecules changes depending on the temperature. To analyse into which shape COOLAIR fold itself when it is warm or cold the researchers developed a method to determine the shape of each individual RNA molecule. This showed the researchers that COOLAIR has four favourite folds.


By having a specific cold fold, COOLAIR is influencing the flower-repressor only when it is cold


Two of those occur both during warm and cold temperatures, although in a different ratio. Of the other two folds, one is observed during warm temperatures, while the other is there only when it is cold. The researchers noticed that the cold specific fold was distinctly differently folded in one place compared to the other observed COOLAIR folds. This gave the researchers a hind how COOLAIR could turn off the flower-repressor.

Using mutations the researchers changed the shape of the cold specific COOLAIR fold, to test if unique cold specific COOLAIR fold was responsible for turning off the flower-repressor. Subsequently the researchers studied the COOLAIR mutant plants. The plants with the COOLAIR mutation turned off more of the flower-repressor than the non-mutated plants. Moreover, they were also flowering quicker after a period of cold. The cold COOLAIR-variant is responsible for switching off the flower-repressor.

By having a specific cold fold, COOLAIR is influencing the flower-repressor only when it is cold. And a change in this cold-COOLAIR fold is influencing when a plant is flowering. As this is showing, RNA molecules help plants to perceive temperature changes. Through shape shifting by changing temperatures. In this way RNA molecules can change function in response to a changing environment without receptor intermediates. Enabling COOLAIR to respond to cooler air.

Literature

Yang, M., Zhu, P., Cheema, J., Bloomer, R., Mikulski, P., Liu, Q., Zhang, Y., Dean, C., Ding, Y. (2022) In vivo single-molecule analysis reveals COOLAIR RNA structural diversity. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-022-05135-9

Van vorm veranderende RNA

Plant & zo

Plantenwetenschap en meer


Van vorm veranderende RNA

Voor veel planten is het van groot belang om de te weten wanneer het winter is, en wanneer deze weer is afgelopen. Ze passen hun groei en ontwikkeling hierop aan. Zo bloeien veel planten vaak pas nadat ze een periode van kou hebben ondergaan. Veel is er al bekend over hoe planten dit regelen. Maar hoe planten temperatuur waarnemen blijft een vraag.

Nu hebben onderzoekers in Engeland laten zien dat een van de regulatoren van bloei veranderd van vorm wanneer de temperatuur veranderd. Het gaat over het RNA-molecuul COOLAIR. COOLAIR beïnvloed hoeveel van de bloei-onderdrukker aanwezig is. Is het warm dan laat COOLAIR toe dat er veel van de bloei-onderdrukker is, maar is het koud dan zet COOLAIR de bloei-onderdrukker uit. Na de winter is er zo geen bloei-onderdrukker, en kan de plant gaan bloeien. Maar hoe COOLAIR dit doet was tot nu toe onbekend.

Net als eiwitten vouwen RNA-moleculen zich op. Bij eiwitten is dit grotendeels onafhankelijk van de temperatuur. De vorm van RNA-moleculen daar en tegen veranderd afhankelijk van de temperatuur. Om te analyseren welke vormen COOLAIR heeft bij warme en koude temperatuur, ontwikkelde de onderzoekers een methode om van elk individueel RNA-molecuul de vorm te bepalen. Zo ontdekte de onderzoekers dat COOLAIR vier favoriete vormen heeft.


Door een specifieke koude vorm te hebben beïnvloed COOLAIR de bloei-onderdrukker alleen wanneer het koud is


De eerste twee vormen komen bij zowel warm als koud weer voor, al zijn de verhoudingen net iets anders. Van de andere twee vormen komt er een voornamelijk bij warm weer en de andere voornamelijk bij koud weer voor. De vorm die alleen bij koud weer voorkwam was op een plek anders gevouwen dan alle andere ontdekte vormen. Dit gaf de onderzoekers een aanwijzing hoe COOLAIR de bloei-onderdrukker kon uitschakelen.

Om te testen of de specifieke koude vorm verantwoordelijk was veranderede de onderzoekers met behulp van mutaties alleen de vorm van de koude specifieke COOLAIR. Vervolgens bestudeerde deze COOLAIR-mutanten planten. De COOLAIR-mutanten zette veel meer van de bloei-onderdrukker uit dan de niet gemuteerde planten. Ook bloeide deze planten sneller na een koude periode. De koude COOLAIR-variant is verantwoordelijk voor het uitschakelen van de bloei-onderdrukker.

Door een specifieke koude vorm te hebben beïnvloed COOLAIR de bloei-onderdrukker alleen wanneer het koud is. En veranderingen van deze vorm heeft invloed op wanneer de plant bloeit. RNA-moleculen blijken de plant te helpen met het waarnemen van temperatuurveranderingen. Door van vorm te veranderen bij verandering van temperatuur. RNA-moleculen kunnen zo van functie veranderen zonder tussenkomst van een receptoren.

Literatuur

Yang, M., Zhu, P., Cheema, J., Bloomer, R., Mikulski, P., Liu, Q., Zhang, Y., Dean, C., Ding, Y. (2022) In vivo single-molecule analysis reveals COOLAIR RNA structural diversity. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-022-05135-9

%d bloggers like this: