Creating an oxygen-restricted niche

Creating an oxygen-restricted niche

Although plants, just like us, need oxygen, their growth centre, there where the leaves and stems emerge, is surprisingly low on oxygen. There, there is four to six times less than in the air outside the plant. Scientists believes that this is needed to keep that growing tip functioning. But up till now it was unknown how plants establish and maintain that low oxygen niche. Now a group of international researchers show in Molecular Plant how a plant manages this.

The growth centres of the plant are responsible for the production of all new organs, like leaves and stems, of the plant. The shoot apical meristem is the growth centre produces new leaves and stems and does this from a small group of stem cells. One of the features of this growth centre is that it is low on oxygen. And although scientists have their suspicions of why that is, testing this is difficult without knowing how a plant creates this low oxygen niche. So, the researchers set out to find out.

After having confirmed in tomato and tale cress plants that this region is indeed low on oxygen, they analysed how the cells were packed into this region using X-ray scans. In contrast to leaves, whose cells are loosely packed with lots of airy spaces, the cells of the shoot apical meristem where tightly packed. Restricting the movement of air, including oxygen.

A physical barrier

But how tightly the cells were packed was not the only thing the researchers looked at. Next, they checked if another physical barrier also prevents the oxygen from coming in. The barrier they were looking at was the cuticle, a waxy outer layer. After having checked that the growth centre is indeed covered by a waxy layer, they tried to remove it, using mutants that did not produce the waxy molecules or broke them down quickly.

This turned out to be more complicated than first thought. But eventually the researchers found that when this waxy layer was absent, even partially, more oxygen managed to get into the shoot apical meristem. Although in the middle of the growth centre there still had a low oxygen niche.

Now the researchers had found how the plant prevents oxygen getting in, the next question was, how does the plant maintain this niche. For that the researchers turned to oxygen use. The mitochondria of plants, just like their human counterparts, use oxygen to produce energy from glucose. When the researchers shut down these mitochondria in the growth centre, then the oxygen levels creep up. Although, they were still lower than outside the growth centre.

Nothing missed

To confirm this in a more natural setting the researchers looked at oxygen levels in the growth centre when they where naturally starved, like at the end of the night, when mitochondria have less to do. This showed that at dawn the oxygen levels were higher than later in the day.

Having all found that, the researchers wondered if there was anything that they had missed. Ideally, they would have created a plant which missed the waxy-layer, had inactive mitochondria, and a less densely packed growth centre. But this was not possible. So, they did the second-best thing, they put all their obtained data in a model and asked it if they missed anything. As the outcomes of the model overlapped with what was observed, it strongly suggests that there are no additional factors contributing to the establishment and maintenance of the low oxygen levels.

Now researchers have found out how plants establish and maintain low oxygen levels in their shoot apical meristem, they start finding out why that low oxygen niche is required. Is it as they think to prevent the breakdown of essential proteins or are there other reasons as well? Moreover, it might give researchers tools to tweak the size of the growth centre and through that the size and shape of the plant. And might give insights into how to improve flood resistance.

Literature

Voloboeva V., Dequeker B., Van Doorselaer L., Panicucci G., Perata P., Verboven P., Nicolai B., and Weits D.A. (2026). The hypoxic niche enclosing the shoot apical meristem is shaped by a combination of morphological features and metabolic activity. Molecular Plant doi: https://doi.org/10.1016/j.molp.2026.02.011

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

Een zuurstofarme niche creëren

Een zuurstofarme niche creëren

Alhoewel planten, net als wij, zuurstof nodig hebben is hun groeicenter, daar waar de bladeren en stengels uitkomen, verassend genoeg zuurstofarm. Daar is vier tot zes keer minder zuurstof dan in de lucht buiten de plant. Wetenschappers geloven dat dit nodig is voor het functioneren van de groeicenter. Maar tot nu toe was het onbekend hoe planten deze zuurstofarme omgeving creëren en behouden. Nu laat een groep van internationale onderzoekers in Molecular Plant zien hoe planten dit doen.

De groeicenters van de plant zijn verantwoordelijk voor de productie van alle nieuwe organen, zoals de bladeren en de stengels, van de plant. De shoot apical meristem is de groeicenter dat nieuwe bladeren en stengels groeit, het doet dit met behulp van een kleine groep stamcellen. Een van de eigenschappen van dit groeicenter is dat deze zuurstofarm is. En alhoewel onderzoekers wel een idee hebben waarom dit zo is, dit testen zonder te weten hoe een plant zo’n zuurstofarme omgeving creëert is lastig. Daarom besloten de onderzoekers om dat uit te vinden.

Nadat ze voor tomaat en de zandraket hadden bevestigd dat hun groeicenter inderdaad een zuurstofarme omgeving is, bestudeerde de onderzoekers met röntgenstraling hoe de cellen in deze omgeving opeengepakt zitten. In tegenstelling tot de luchtige en losjes geplaatste bladcellen, zitten de cellen van het groeicenter dicht opeengepakt. Dit beperkt de beweging van lucht, inclusief dat van zuurstof.

Een fysieke barrière

Maar hoe opeengepakt de cellen zaten was niet het enige waar de onderzoekers naar keken. Ze keken ook naar een tweede fysieke barrière die de voorkomt dat zuurstof een weg naar binnen vindt. Deze barrière waar ze naar keken was de cuticle, een waslaag aan de buitenkant van de plant. Na gecheckt te hebben dat de groeicenter inderdaad een waslaag heeft, probeerde de onderzoekers deze laag te verwijderen met behulp van mutanten die of minder was moleculen produceerden of die juist sneller afbraken.

Dit bleek minder simpel dan in eerste instantie gedacht. Maar uiteindelijke zagen de onderzoekers dat in afwezigheid van deze waslaag, ook al was het maar gedeeltelijk, dat er meer zuurstof in de groeicenter aanwezig was. Al was het binnenste van de groeicenter nog steeds zuurstofarm.

Nu hadden de onderzoekers gevonden hoe de plant ervoor zorgt dat er geen zuurstof binnenkomt, het volgende waarna ze keken hoe planten deze niche behouden. Hiervoor keken de onderzoekers naar het zuurstof gebruik. De mitochondriën van de plant gebruiken, net als hun menselijke versies, zuurstof voor de productie van energie uit glucose. Toen de onderzoekers de mitochondriën in de groeicenter stopte zagen ze daar de hoeveelheid zuurstof toenemen. Al bleef die nog steeds veel lager dan buiten de groeicenters.

Niks gemist

Om dit te bevestigde in een meer natuurlijke situatie keken de onderzoekers naar de hoeveelheid zuurstof in de groeicenter gedurende van nature voorkomende honger situaties, zoals aan het eind van de nacht wanneer mitochondriën dus minder te doen hebben. Dit liet zien dat bij zonsopkomst het zuurstof niveau hoger was dan later op de dag.

Nu ze dit alles hadden gevonden vroegen de onderzoekers zich af of ze iets hadden gemist. Ideaal gezien hadden ze een plant gecreëerd die de was laag miste, met inactieve mitochondriën, en een minder dicht op elkaar gepakte cellen in de groeicenter. Maar dit was niet mogelijk. Dus gingen ze voor de tweede optie. Ze stopten alle verkregen gegevens in een model en vroegen die of ze iets gemist hadden. De uitkomsten van het model kwamen overeen met wat de onderzoekers waarnamen, wat suggereerde dat er geen extra factoren bijdroegen aan het creëren en behouden van de zuurstofarme omgeving.

Nu onderzoekers hebben gevonden hoe planten een zuurstofarme niche creëren en behouden kunnen ze beginnen met uitzoeken waarom een zuurstofarme niche nodig is. Is het zoals ze denken om de afbraak van essentiële eiwitten te voorkomen, of zijn er nog andere reden? Daarnaast, kan het onderzoekers manieren geven om de grote van de groeicenter te beïnvloeden en daarmee de grote en de vorm van de plant. Ook kan het inzichten geven in hoe planten beter resistent tegen overstromingen te maken.

Literatuur

Voloboeva V., Dequeker B., Van Doorselaer L., Panicucci G., Perata P.,Verboven P., Nicolai B., and Weits D.A. (2026). The hypoxic niche enclosing the shoot apical meristem is shaped by a combination of morphological features and metabolic activity. Molecular Plant doi: https://doi.org/10.1016/j.molp.2026.02.011

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.

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.