Scattering

Scattering

Scattering or non-scattering of seeds is on of the differences between wild and domesticated plants. Non-scattering makes harvesting crops a lot easier. Not surprising researchers like to know the workings of this scattering process. As well as its responsible genes. For grasses, like wheat and rice, lots is known about the mechanical aspects of scattering. But now American researchers discovered the gene needed to initiate this mechanic.

To enable future scattering, plant build in breaking points. Locations that are less supported and easily break. They are at the end of the stele of a leaf, but also there where a seed is attached to the plant.

Making these locations less supportive occurs through giving the cell walls of the cells on these locations more lignin. As long as these cells are alive, all is well. But as soon as they die, they shrink and break their connections with neighbouring cells. But what this dying initiates is difficult to analyse, the genes that regulate the amount of lignin in the cell walls and initiate this dying appear to overlap. To overcome this difficulty, the researchers used green foxtail, a grass whose breaking points do not have extra lignin.

Earlier research gave the researchers the hint that SH1, for SHATTERING1, is involved in the scattering of seeds. To check this the researchers created green foxtail plants without SH1. While green foxtail plants with SH1 let go of their seeds, plant without any SH1 kept a strong hold on them. The researchers studied the amount of lignin at the breaking points of plants with and without SH1. Here they noticed no difference. SH1-lacking plants are not keeping hold of their seeds due to a reduced amount of lignin.

SH1 influences auxin dynamics of breaking point cells

To discover how SH1 initiates the scattering of seeds the researchers carefully studied the plants in the days leading up to the scattering. They observed that by plants with SH1 their breaking points slowly turn from green to yellow. This was not the case in SH1-lacking plants. This colour shift turned out to be a result of a reduction of chlorophyl, a sign that the cells were dying.

Because the researchers knew that plant hormones can have a role in the scattering process, they studied the effect of these hormones in plants that do have SH1. Observing that when applying auxin at the breaking point plants with SH1 keep their seeds longer. Zooming in at SH1-lacking breaking point cells, the researchers observed that the location of auxin in these cells was of importance. They noticed that in SH1-lacking cells auxin was located more often at the chlorophyl.

To confirm that SH1 is influencing auxin, the researchers analysed the difference in gene expression of breaking point cells with and without SH1. Noticing that a lot of auxin related genes had a different expression in SH1-lacking breaking point cells that in breaking point cells with SH1.

It appears that SH1 indeed influences the auxin dynamics of breaking point cells. How SH1 does this is not completely clear. To clarify this more research is needed, the researchers say. But this study shows that SH1 with help of auxin initiates the breaking point mechanics.

Literature

Yu, Y., Hu, H., Voytas, D.F., Doust, A.N. and Kellogg, E.A. (2023), The YABBY gene SHATTERING1 controls activation rather than patterning of the abscission zone in Setaria viridis. New Phytol. https://doi.org/10.1111/nph.19157

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

Verstrooiing

Verstrooiing

Het wel of niet verstrooien van zaden is een van de verschillen tussen niet en wel gedomesticeerde planten. Het niet verstrooien maakt het oogsten van die zaden een stuk makkelijker. Het is dan ook niet verwonderlijk dat onderzoekers willen weten hoe dit verstrooiingsproces werkt. En welke genen verantwoordelijk zijn. Voor grassen, zoals tarwe en rijst, is veel bekend over het mechanische aspect van verstrooiing. Maar nu hebben Amerikaanse onderzoekers ontdekt welk gen nodig is om dit mechaniek in werking te zetten.

Om toekomstige verstrooiing mogelijk te maken, bouwen planten breekpunten in. Plekken die minder verstevigd zijn en makkelijk kunnen afbreken. Ze zitten aan de uiteinden van het steeltje van een blad, maar ook op de plek waar een zaadje aan de rest van de plant vast zit.

Om deze plekken minder stevig te hebben de celwanden van de cellen op deze plekken vaak meer lignine. Zo lang de cellen met meer lignine in hun celwand leven is er niks aan de hand. Maar zodra ze sterven en krimpen breekt hun verbinding met buurcellen. Maar wat dit sterven in gang zet is moeilijk te onderzoeken, omdat de genen die de hoeveelheid lignine reguleren en het ingang zetten van het sterven overlappen. Daarom gebruikte de onderzoekers de groene naaldaar, een grassoort waar de breekpunten geen extra lignine heeft.

Uit eerder onderzoek kregen de onderzoekers de hint dat SH1, voor SHATTERING1, betrokken kon zijn bij de verstrooiing van de zaden. Om dit te checken creëerden de onderzoekers naaldaar planten die geen SH1 hadden. Waar naaldaar planten met SH1 hun zaden loslieten, bleven planten zonder SH1 hun zaden stevig vasthouden. De onderzoekers bestudeerde de hoeveelheid lignine op breekpunten van planten met en zonder SH1. Hierbij zagen ze dat er geen verschil was. SH1 loze planten houden hun zaden dus niet vast omdat ze minder lignine bevatten.

SH1 beïnvloed de auxine dynamiek van breekpuntcellen

Om erachter te komen hoe SH1 er dan wel voor zorgt dat de plant z’n zaden verstrooit bestudeerde de onderzoekers de planten in de dagen voorafgaand aan de verstrooiing nauwkeurig. Hierbij viel op dat in planten met SH1 het breekpunt langzaam van groen naar geel kleurde. Dit was niet het geval in SH1-loze planten. Deze verkleuring bleek het geval te zijn van een vermindering van chlorofyl, een teken dat de cellen doodgingen.

Omdat de onderzoekers wisten dat plantenhormonen een rol kunnen hebben in het verstrooiingsproces bestudeerde ze het effect van deze hormonen op planten met SH1. Hierbij zagen ze dat het aanbrengen van auxine op het breekpunt ervoor zorgde dat dat planten met SH1 hun zaden langer bij zich houden. Inzoomend op SH1-loze breekpuntcellen zagen de onderzoekers dat het de locatie van auxine in deze cellen belangrijk was. Auxine in SH1-loze cellen bleek zich meer bij het chlorofyl op te hopen dan in cellen met SH1.

Om te bevestigen dat SH1 inderdaad auxine beïnvloed, analyseerde de onderzoekers het verschil in genexpressie tussen breekpuntcellen met en zonder SH1. Hierbij viel op dat veel auxine-gerelateerde genen een andere expressie hadden in SH1-loze breekpuntcellen dan in breekpuntcellen met SH1.

Het lijkt er dus op dat SH1 de dynamiek van auxine in breekpuntcellen beïnvloed. Hoe SH1 dit precies doet is nog niet helemaal duidelijk. Daarvoor zo zeggen de onderzoekers is meer onderzoek nodig. Maar dit onderzoek laat zien dat SH1 met behulp van auxine het breekpuntmechaniek inwerking zet.

Literatuur

Yu, Y., Hu, H., Voytas, D.F., Doust, A.N. and Kellogg, E.A. (2023), The YABBY gene SHATTERING1 controls activation rather than patterning of the abscission zone in Setaria viridis. New Phytol. https://doi.org/10.1111/nph.19157

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.

Different ways of plant breeding

Different ways of plant breeding

Last month the European Commission came with a new proposal regarding the genetic modification of crop plants. They propose crops breed using new genetic techniques not to classify as genetically modified. But which ways of plant breeding are there? Here I will highlight four of them.

During breeding of crops a breeder is selecting for favoured traits, like a high yield, resistance against diseases, or being better able to deal with a drought. The reason why one plant has a particular trait and another not, is due to a difference in genetic information. A change in this genetic information can therefore result in a new trait.

During traditional breeding, a change in the genetic information is a result of copying mistakes or DNA damage. Most of those changes do not result in new traits, but some do. Creating variation in a population. Something breeders use when breeding new crops. For example, when crossing a plant with disease resistance with a high yielding plant, to generate a crop that has both disease resistance and a high yield. Unfortunately, new traits don’t appear often, and getting new traits in this way is a slow and random process.

Gene editing is a new tool in the breeder’s toolbox

Around 1930 researchers discovered a way to increase the frequency of new trait occurrence. Radiating plants or treating them with chemicals, they noticed caused more new traits. The number of changes in the DNA of the plant increased. Creating new crops using this method is called mutation breeding. While new traits are obtained much faster, the breeder has no control about which new traits develop.

This changed at the start of the eighties last century. Researchers developed a way to introduce foreign DNA into a plant. This enabled breeders to introduce specific traits, like resistance to specific insects. Producing new crops using this technique we call genetic modification. This involves introducing pieces of DNA from one organism in another organism. The advantage for the breeder is that he can control which new trait emerges. But the breeder has no control where in the genome the foreign DNA ends up.

With the new genomic techniques or gene editing, like CRISPR-Cas, breeders have control where the DNA changes. Using gen editing breeders can change specific genes inside the organism, without introducing foreign DNA. In this gives breeders control over which trait they adjust and where this adjustment is made. A disadvantage, compared to traditional breeding is that the responsible gene must be known.

In this regard gene editing is closer to traditional breeding and mutational breeding than classic genetic modification. Each of the above discussed techniques has its own advantages and disadvantages. Gene editing is therefore not the holy grail, but only a new tool in the breeder’s toolbox.

Literature

Bevan, M., Flavell, R. & Chilton, MD. A chimaeric antibiotic resistance gene as a selectable marker for plant cell transformation. Nature 304, 184–187 (1983). https://doi.org/10.1038/304184a0

Kunling Chen, Yanpeng Wang, Rui Zhang, Huawei Zhang, Caixia Gao (2019) CRISPR/Cas Genome Editing and Precision Plant Breeding in Agriculture. Annual Review of Plant Biology 2019 70:1, 667-697 https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-050718-100049

Stadler LJ. Mutations in Barley induced by x-rays and radium. Science. (1928) 68:186–7. DOI: 10.1126/science.68.1756.186

In addition, I talked with Dirk Inzé, Cathy Martin, and Jan Schaart

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

Verschillende vormen van veredeling

Verschillende vormen van veredeling

Afgelopen maand kwam de Europese Commissie met een nieuw voorstel voor de regulering omtrent genetische modificatie van gewassen. Hierin stellen ze voor om gewassen veredeld met behulp van nieuwe genetische technieken niet als genetische gemodificeerd te classificeren. Maar wat voor vormen van veredeling zijn er allemaal? Hier licht ik de vier uit.

Tijdens het veredelen van gewassen selecteert de teler op gewenste eigenschappen, zoals een goede opbrengst, resistentie tegen zieketen, of betere bestandheid tegen droogte. Dat de ene plant een bepaalde eigenschap wel heeft en de andere niet is het gevolg van verschil in genetische informatie. Een hele nieuwe eigenschap ontstaat doordat er een verandering plaats vindt in de genetische informatie.

Bij klassieke veredeling is de verandering in de genetische informatie het gevolg van kopieer foutjes of schade aan het DNA. Lang niet alle veranderingen resulteren in veranderde eigenschappen, maar soms wel. Zo ontstaat er variatie in een populatie. Iets waar telers handig gebruik van maken bij het ontwikkelen van nieuwe gewassen. Hierbij kruisen ze een plant met bijvoorbeeld ziekteresistentie met een plant die een hoge opbrengst heeft, om zo een gewas te krijgen dat beide heeft. Helaas is het ontstaan van nieuwe eigenschappen op deze manier een traag en willekeurig proces. 

Gen editing is een nieuw stuk gereedschap in de gereedschapskist van de veredelaar

In de jaren dertig van de vorige eeuw ontdekten wetenschappers dat je het tempo waarin nieuwe eigenschappen zich voordoen kan versnellen. Door planten te bestralen of te behandelen zagen ze meer nieuwe eigenschappen. Het aantal veranderingen in het DNA van de plant ging omhoog. Het op deze manier verkrijgen van nieuwe gewassen noemen we mutatie veredeling. Het ontstaan van nieuwe eigenschappen gaat sneller, maar de veredelaar heeft geen controle over welke nieuwe eigenschappen er ontstaan.

Daar kwam verandering in begin jaren tachtig van de vorige eeuw. Toen ontwikkelde onderzoekers de mogelijkheid om vreemd DNA toe te voegen aan het DNA van een plant. Dit gaf telers de mogelijkheid om specifieke eigenschappen toe te voegen, zoals bijvoorbeeld resistentie tegen bepaalde insecten. Het verkrijgen van nieuwe gewassen met deze techniek noemen we genetische modificatie. Hierbij introduceren we stukken DNA van een organisme in een ander organisme. Het voordeel voor de teler is dat hij controle heeft over welke nieuwe eigenschap er ontstaat. De teler heeft alleen geen controle waar in het genoom het nieuwe DNA terecht komt.

Met de nieuwe genetische technieken of gen editing, zoals CRISPR-Cas, hebben telers wel controle over waar het DNA veranderd. Met gen editing kunnen telers specifieke genen wijzigen in het organisme zelf, dus zonder vreemd DNA te introduceren. Op deze manier hebben telers zowel controle over de eigenschap die ze veranderen, als waar in de genetische informatie de verandering plaats vindt. Het nadeel hiervan ten opzichte van de klassieke veredeling is dat bekend moet zijn welk gen verantwoordelijk is voor de gewenste eigenschap.

Gen editing lijkt dus in z’n uitkomst veel meer op klassieke veredeling en mutatie veredeling dan op klassieke genetische modificatie. Elk van de hierboven besproken technieken hebben hun voordelen en nadelen. Gen editing is dan ook niet de heilige graal, maar slechts een nieuw stuk gereedschap in de gereedschapskist van de veredelaar.

Literatuur

Bevan, M., Flavell, R. & Chilton, MD. A chimaeric antibiotic resistance gene as a selectable marker for plant cell transformation. Nature 304, 184–187 (1983). https://doi.org/10.1038/304184a0

Kunling Chen, Yanpeng Wang, Rui Zhang, Huawei Zhang, Caixia Gao (2019) CRISPR/Cas Genome Editing and Precision Plant Breeding in Agriculture. Annual Review of Plant Biology 2019 70:1, 667-697 https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-050718-100049

Stadler LJ. Mutations in Barley induced by x-rays and radium. Science. (1928) 68:186–7. DOI: 10.1126/science.68.1756.186

Daarnaast gesproken met Dirk Inzé, Cathy Martin, en Jan Schaart

Wil je meer lezen over de voordelen van genetische modificatie lees dan m’n KIJK artikel hierover

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.