Warning plants

Plants warning you for dangerous substances

What if a plant can tell you that there are dangerous chemicals in the water or the ground? Not by dying but through simply changing its appearance. Now researchers from University of California – Riverside report in Nature Chemical Biology to have done just that.

Organisms are full of biosensors, they use them to respond to a changing environment. Regardless if this environment is the big outside world, or just the other cells within an organism. One of those biosensors is the sensor that plants use to respond to the plant hormone abscisic acid, or ABA. This hormone is involved in a myriad of developmental processes, like germination and regulating stomata opening.

The nice thing about the ABA biosensor and biosensors like it, is that they consist out of multiple parts. A part for sensing a ligand (like ABA). And a part that activates the targets, but only when bound to the ligand sensing part, which in turn only binds the target activating part when bound to the ligand.

Previously the researchers reported that they could adjust the ligand binding part of the ABA biosensor so that it could bind other ligands. In plants however, this had one big back drawback: it messed up with the ABA signalling.

The plants turn beet red upon sensing a banned pesticide

To overcome that they went to a couple of rounds of engineering. First to develop a ligand sensing and a target activating parts that did not bind to the original biosensor parts. This was followed up so the adjusted biosensor parts could bind to each other. Ending up with a second ABA biosensor that functioned independently from the original ABA biosensor.

Starting with this second biosensor they then adjusted it so that it could bind to either azinphos-ethyl and diazinon, both forbidden pesticides, instead of ABA. The result: two biosensors that could bind the banned pesticides in nanomolar quantities. After placing them in plants, the researchers saw no growth defects. Confirming that they indeed function independently from the original ABA biosensor.

The last step to developing a plant that could tell us if it sensed either of the banned pesticides was adding a target. For this they chose the synthetic betalain pigment gene named RUBY. This RUBY when activated produces a pigment that colours the plant beet red.

The resulted plants turn beet red upon sensing a banned pesticide. While at the same time the biosensor does not interfere with the plants own metabolism. A major feat as previously biosensors based on plant receptors messed up the plants ability to develop normally.

Literature

Park, SY., Qiu, J., Wei, S. et al. An orthogonalized PYR1-based CID module with reprogrammable ligand-binding specificity. Nat Chem Biol (2023). https://doi.org/10.1038/s41589-023-01447-7

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

Waarschuwende planten

Planten die waarschuwen voor gevaarlijke stoffen

Stel je eens voor hoe het zou zijn als planten je konden waarschuwen voor gevaarlijke stoffen. Niet door dood te gaan maar door simpel te veranderen hoe ze eruit zien. Nu vertellen onderzoekers van University of California in Nature Chemical Biology dat ze precies dat voor elkaar hebben gekregen.

Organismen zitten vol biosensoren, ze gebruiken ze om te reageren op de alsmaar veranderende omgeving, ongeacht of dit nu buurcellen zijn of de grote buitenwereld. Een van de biosensoren die planten gebruiken is de sensor die reageert op de aanwezigheid van abscisinezuur, of wel ABA. Dit planten hormoon is betrokken bij een groot aantal biologische processen, zoals ontkieming en de regulatie van de opening van huidmondjes.

Het fijne aan de ABA-biosensor en biosensoren die hierop lijken, is dat deze bestaan uit meerdere onderdelen. Een onderdeel voor het waarnemen van een ligand (zoals ABA). En een onderdeel dat doelen activeert, maar alleen wanneer gebonden aan het ligand bindende onderdeel, die op zijn beurt alleen aan het doelen activerende onderdeel bind wanneer er een ligand gebonden is.

Eerder hadden de onderzoekers al gemeld dat ze het ligand bindende onderdeel van de ABA biosensor konden aanpassen zodat het andere stoffen dan ABA kon binden. In planten had dit alleen een nadeel: het gooide de reactie op ABA in de war.

Bij waarneming van verboden pesticiden kleurt de plant bordeauxrood

Om hier wat aan te doen ging de biosensor door een aantal rondes of engineering. De onderzoekers begonnen met het ontwikkelen van ligand bindende en doel activerende onderdelen die niet meer bonden aan de originele biosensor. Hier op volgde een ronde van engineering zodat de aangepaste onderdelen van de biosensor wel aan elkaar binden. Het resultaat een tweede ABA biosensor die onafhankelijk van de originele biosensor kan functioneren.

Vervolgens paste de onderzoekers de nieuwe biosensor zo aan dat het ligand bindende deel de verboden pesticiden azinphos-ethyl of diazinon in plaats van ABA bindt. Dit resulteerde in twee biosensoren die nano-molaire hoeveelheden van de verboden pesticiden kunnen binden. Na het in planten plaatsen zagen de onderzoekers geen nadelige effecten. Het geen nogmaals laat zien dat ze inderdaad als onafhankelijke biosensoren functioneren.

De laatste stap in de ontwikkeling van planden die ons kunnen vertellen of ze een van de verboden pesticiden waarnemen was het toevoegen van een doel voor het doel activerende onderdeel. Hiervoor kozen ze de synthetische betalain pigment gen: RUBY. Dit gen, produceert bij activatie een pigment dat de plant bordeauxrood kleurt.

Het resultaat: een plant die bordeauxrood kleurt wanneer het een van de verboden pesticiden waarneemt. Dit alles zonder de normale hormoonhuishouding van de plant in de war te sturen. Ook niet onbelangrijk aangezien veel biosensoren gebaseerd op planten receptoren de ontwikkeling van de plant ontregelen.

Literatuur

Park, SY., Qiu, J., Wei, S. et al. An orthogonalized PYR1-based CID module with reprogrammable ligand-binding specificity. Nat Chem Biol (2023). https://doi.org/10.1038/s41589-023-01447-7

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.

Double break

Double break

One of a seedlings first reactions to salt is stepping on the break. Now researchers from Scotland and Italia show in the New Phytologist how the protein HDC1 is regulating how hard the plant is pressing this break.

To make sure that stress genes are not accidentally turned on they are decorated by markings that make them unreadable. Then, when stress does occur, HDAC protein complexes remove those markings. A by the researchers earlier discovered part of this complex is HDC1. But how HDC1 is making those stress genes readable again was still unknown. That the researchers aimed to change.

Their first priority was to find out which genes HDC1 regulates. Sequencing the RNA, showed the researchers that already 3 hours after exposure to salt a lot of genes were turned on or off. In addition the researchers studied with help of ChIP-Seq to which genes HDC1 binds in response to salt stress. This resulted in four genes ABI3, LEA, MAF5, and RAB18. When ABI3 and LEA are turned on they repress germination and growth of seedlings.

HDC1 to regulates precisely the amount of ‘panic’ that is needed

Subsequently the researchers studied which markings HDC1 changes by salt stress. For this they used plants with and without HDC1. In non-stressed plants the researchers did not see any difference in the markings of plants with or without HDC1. But by the occurrence of salt stress, then in plants without HDC1 the genes ABI3, LEA, MAF5, and RAB18 had more acetyl-markings, but less methyl markings. Together this shift in marking turned on ABI3, LEA, MAF5 and RAB18, causing growth to stop.

Interaction with histone H1 was needed for changing the methyl markings. In the absence of histone H1 the genes ABI3, LEA, MAF5, and RAB18 were less marked with methyl-markings during salt stress. But only those markings were affected, not the acetyl markings. As only the methyl-markings change, ABI3, LEA, MAF5, and RAB18 are turned on only a little bit, slowing growth, but not stopping it.

As HDC1 is adjusting both the methyl as acetyl markings, it has the function of a double break. Enabling HDC1 to precisely regulate the amount of ‘panic’ that is needed. Preventing the plant to enter into a situation where it can not get out of. Like in the case of salt stress by germination, as the possibility exist that with a little more growth the root will encounter a patch without too much salt.

Literature

Perrella, G., Fasano, C., Donald, N.A., Daddiego, L., Fang, W., Martignago, D., Carr, C., Conti, L., Herzyk, P. and Amtmann, A. (2023), Histone Deacetylase Complex 1 and histone 1 epigenetically moderate stress responsiveness of Arabidopsis thaliana seedlings. New Phytol. https://doi.org/10.1111/nph.19165

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

Dubbele rem

Dubbele rem

De eerste ingeving van ontkiemende zaailingen wanneer ze zout waarnemen is om op de rem te trappen. Nu laten onderzoekers uit Schotland en Italië zien in the New Phytologist hoe het eiwit HDC1 reguleert hoe ver de plant de rem indrukt.

Om er voor te zorgen dat stressgenen niet zomaar aangaan, zijn ze voorzien van markeringen die ze onleesbaar maken. Bij stress halen HDAC eiwit complexen deze eraf. Een door de onderzoekers eerder ontdekt onderdeel van dit complex is HDC1. Maar hoe HDC1 de stressgenen weer leesbaar maakte was nog onbekend. Daar wilde de onderzoekers verandering in brengen.

De eerste prioriteit van de onderzoekers was uitvinden welke stressgenen HDC1 reguleert. Met behulp van het sequensen van RNA lieten de onderzoekers zien dat 3 uur na blootstelling aan zout er al behoorlijk wat genen aan en uitgezet zijn. Daarnaast bekeken ze met behulp van ChIP-Seq aan welk genen HDC1 na zout stress bindt. Dit leverde 4 genen op ABI3, LEA, MAF5, en RAB18. Staan ABI3 en LEA aan dan houden ze de ontkieming en groei van zaailingen tegen

HDC1 reguleert nauwkeurig welke mate van ‘paniek’ er nodig is

Vervolgens bestudeerde de onderzoekers welke markeringen HDC1 bij zoutstress veranderd. Hiervoor gebruikte ze planten met en zonder HDC1. Zonder stress zagen de onderzoekers geen verschil in de markeringen tussen planten met en zonder HDC1. Maar in planten zonder HDC1 waren gedurende zoutstress ABI3, LEA, MAF5, en RAB18 meer met acetyl-markeringen, maar minder met methyl-markeringen gemarkeerd. Samen zorgen deze markeringen ervoor dat ABI3, LEA, MAF5, en RAB18 aanstaan, en de groei stopt.

Voor de methyl-markeringen was samenwerking met histone H1 nodig. Bij afwezigheid van dit eiwit waren ABI3, LEA, MAF5, en RAB18 bij zoutstress minder met methyl-markeringen gemarkeerd. Dit beïnvloede alleen de methyl-markeringen niet de acetyl-markeringen. Doordat alleen de methyl-markeringen veranderen gaan ABI3, LEA, MAF5, en RAB18 maar een beetje aan, de groei gaat langzamer.

Doordat HDC1 zowel de methyl- als acetyl-markeringen kan aanpassen, hanteert het eiwit een dubbele rem. Hiermee kan HDC1 nauwkeurig reguleren welke mate van ‘paniek’ er nodig is. Zo kan de plant voorkomen dat het in een situatie terecht komt waar het niet uit kan komen. In het geval van zoutstress bij ontkieming bestaat er immers de mogelijkheid dat met iets meer groei de wortel in een zoutvrije omgeving komt.

Literatuur

Perrella, G., Fasano, C., Donald, N.A., Daddiego, L., Fang, W., Martignago, D., Carr, C., Conti, L., Herzyk, P. and Amtmann, A. (2023), Histone Deacetylase Complex 1 and histone 1 epigenetically moderate stress responsiveness of Arabidopsis thaliana seedlings. New Phytol. https://doi.org/10.1111/nph.19165

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.