Extra root growth through infection

Extra root growth through infection

Nematodes that infect plants can cause lots of damage. These parasites infect the plants through their roots. When inside, they work their way up to the vascular bundle, were they start feeding. Plants are growing more roots around the infection site, as a way of compensating. But up to now it was unclear how the secondary root growth is induced by nematode infection. A team of Dutch researchers found out.

The researchers counted the number of secondary roots and nematode infections to analyse the correlation between root growth and nematodes. It turned out that with increasing numbers of infections the numbers of secondary roots also increased. But whereby uninfected plants the secondary roots were evenly distributed over the main root, this was not so by infected roots. There the secondary roots clustered around the infection site.

To analyse why, the researchers turned to infection and wound manager JA and its worker ERF109. The amount of JA as well as that of ERF109 increased at the start of the infection. But ERF109 only increased when the plant could sense JA. When the plant couldn’t observe JA, ERF109 was absent. Then it turned out, fewer secondary roots were formed as a reaction in an infection by the plant. Showing that ERF109 is needed for the production of extra roots at the site of infection.

Showing that ERF109 locally initiates auxin production

Subsequently, the researchers studied ERF109. ERF109 its job is to turn on genes for the production of the root growth manager auxin. Is ERF109 present, then the researchers observed extra auxin at the site of infection, but not so in absence of ERF109.

To exclude that auxin originated somewhere else the researchers blocked auxin production in either the shoot, roots or in the whole plant. This showed that blocking auxin production in the shoot did not result in any difference in root growth. But when they blocked auxin production in the roots or in the whole plant, then the plant was not producing extra secondary roots after an infection. Showing that ERF109 locally initiates auxin production.

The study showed that extra root growth at the site of infection is directly caused by the infection. The plant’s reaction caused by the infections initiates local extra auxin production, what in turn stimulates extra root growth. Making it a deliberate reaction of the plant to compensate its primary root growth loss caused by the infection.

Literature

Guarneri, N., Willig, J.-J., Sterken, M.G., Zhou, W., Hasan, M.S., Sharon, L., Grundler, F.M.W., Willemsen, V., Goverse, A., Smant, G. and Lozano-Torres, J.L. (2023) Root architecture plasticity in response to endoparasitic cyst nematodes is mediated by damage signaling. New Phytol, 237: 807-822. https://doi.org/10.1111/nph.18570

Infectie veroorzaakt extra wortelgroei

Infectie veroorzaakt extra wortelgroei

Nematoden of aaltjes die planten infecteren kunnen grote schade aanrichten. Deze parasieten infecteren planten via hun wortels. Eenmaal binnen werken ze zich een weg richting de vaatbundels om zich daar te goed te doen aan alles wat er maar lang komt. Ter compensatie groeien er meer zijwortels rond de plaats van infectie. Maar tot nu toe was nog niet duidelijk hoe de door nematode aangezette zijwortelgroei tot stand komt. Een team van Wageningse onderzoekers zocht het uit.

Om de correlatie tussen wortelgroei en nematoden te onderzoeken telde de onderzoekers het aantal zijwortels en het aantal nematode infecties. Wat bleek, bij naarmate het aantal infecties toenam, nam ook het aantal zijwortels toe. Maar waar bij ongeïnfecteerde planten de zijwortels gelijkmatig over de wortel zijn verdeeld, groepeerde de zijwortels bij geïnfecteerde planten rond de plaats van infectie.

Om te analyseren waarom dit zo was, keken de onderzoekers naar de infectie en wond manager JA en z’n medewerker ERF109. Zowel de hoeveelheid JA en ERF109 nam toe aan het begin van een infectie. Maar ERF109 nam alleen toe als de plant JA kon waarnemen. Kon de plant JA niet waarnemen of was ERF109 afwezig. Dan, zo bleek, maakte de plant ook minder zijwortels aan na een infectie. ERF109 is dus belangrijk om de extra zijwortels rond de infectie plek te krijgen.

ERF109 zorgt dus lokaal voor extra auxine productie

Vervolgens keken de onderzoekers naar wat ERF109 doet. De taak van ERF109 is om genen voor de productie van de wortelgroei manager auxine aan te zetten. Bij aanwezigheid van ERF109 zagen de onderzoekers dan ook extra auxine op de infectie plek, bij afwezigheid van ERF109 niet.

Om uit te sluiten dat de geobserveerde auxine ergens anders vandaan komt blokkeerde de onderzoekers de auxine productie in de stengel, wortel of de hele plant. Dit liet zien dat blokkade in de stengel niks uitmaakte voor de wortel groei. Maar blokkeerde de onderzoekers auxine productie in de wortel of in de hele plant, dan maakte de plant geen extra zijwortels aan na infectie. ERF109 zorgt dus lokaal voor extra auxine productie.

Het onderzoek laat zien dat de extra wortelgroei rond de plek van infectie een direct gevolg is op de infectie. De reactie van de plant op de infectie zorgt lokaal voor extra aanmaak van auxine wat tot extra wortelgroei leidt. Het is een bewuste actie van de plant om zo het verlies aan wortelgroei veroorzaakt door de infectie te compenseren.

Literatuur

Guarneri, N., Willig, J.-J., Sterken, M.G., Zhou, W., Hasan, M.S., Sharon, L., Grundler, F.M.W., Willemsen, V., Goverse, A., Smant, G. and Lozano-Torres, J.L. (2023) Root architecture plasticity in response to endoparasitic cyst nematodes is mediated by damage signaling. New Phytol, 237: 807-822. https://doi.org/10.1111/nph.18570

Pollen discrimination

Pollen discrimination

When visiting flowers pollinators bring a wide variety of pollen, coming from a range of plants. From plants of the same species, but also from those that are not related at all. Plants are picky, to prevent spending their energy on the production of unviable offspring. Only pollen that are recognised as compatible are allowed to fertilise a flower. The plant stops all the others. The question is how. Now Chinese and American researchers have found out.

The receptor SRK helps the plant to recognise unwanted pollen. Recognises SRK a protein on the pollen coat, then SRK gets hold of it. At that moment a chain reaction to prevent pollen tube formation gets underway. Preventing fertilisation of the flower.

To analyse what happens the researchers compared how the plant reacted to wanted and unwanted pollen. They noticed that, only in the case of unwanted pollen, that there was lots of reactive oxygen species present. Bot only when SRK was there. Was SRK absent, then there was also no reactive oxygen species in the presence of unwanted pollen, these could go ahead and fertilise the flower.

Nitrate oxide is enabling pollen tube formation

But what about when wanted pollen arrived on the stigma? Recognising these, the researchers noted, was done by a second receptor, FER. In absence of FER the wanted pollen could not form a pollen tube. Making it two receptors that are sorting the pollen, one for wanted and one for the unwanted ones.

The researchers observed that nitrate oxides are produced by the chain reaction that FER initiates. Nitrate oxide then prevents the formation of reactive oxygen species, and as such enabling pollen tube formation. To analyse if the presence of nitrate oxide allows the unwanted pollen access, the researchers treated the plants with GSNO, that is substance that is mimicking nitrate oxide. It turns out, that it allowed unwanted pollen to fertilise the flowers.

Nitrate oxide is enabling pollen tube formation. This knowledge could plant breeders use to cross distantly related species. Something that is often wanted, but in reality, is difficult to do, because plants pollen from distant relatives often not recognise as compatible. But through misleading the plants, breeders can now cross them.

Literature

Huang, J., Yang, L., Yang, L. et al. (2023) Stigma receptors control intraspecies and interspecies barriers in Brassicaceae. Nature 614, 303–308. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05640-x 

Stuifmeelkorrel discriminatie

Stuifmeelkorrel discriminatie

Bij bloem bezoek nemen bestuivers allerhande stuifmeelkorrels mee, afkomstig van allerlei planten. Zowel die van dezelfde soort als van planten die totaal niet verwant zijn. Om hun energie niet te verspillen aan het produceren van nakomelingen die niet levensvatbaar zijn planten kieskeurig. Alleen stuifmeelkorrels die herkend worden mogen de bloem bevruchten. De rest houdt de plant tegen. De vraag was hoe. Chinese en Amerikaanse onderzoekers hebben dit nu uitgezocht.

De receptor SRK helpt de plant om onverenigbare stuifmeelkorrels te herkennen. Herkent SRK een eiwit aan de buitenkant van de stuifmeelkorrel, dan pakt SRK deze vast. Op dat moment zet het een kettingreactie in gang dat pollenbuisvorming voorkomt. Dit houdt de bevruchting tegen.

Om te onderzoeken wat er gebeurt vergeleken de onderzoekers de reactie op wenselijke en onwenselijke stuifmeelkorrels. Hierbij viel het de onderzoekers op dat alleen wanneer er onwenselijke stuifmeelkorrels waren, er ook veel reactieve zuurstof deeltjes aanwezig waren. Maar alleen bij aanwezigheid van SRK. Bij afwezigheid waren er geen reactieve zuurstof deeltjes ook wanneer er onwenselijke stuifmeelkorrels waren, en mochten deze de bloem bevruchten.

Stikstofoxide zorgt er dus voor ongehinderde pollenbuisvorming

Maar wat als er een wenselijke stuifmeelkorrel op de stempel terecht komt? De onderzoekers ontdekte dat om deze te herkennen een andere receptor nodig was, FER. Bij afwezigheid van FER lukte het ook wenselijke stuifmeelkorrels niet om een pollenbuis te vormen. Er zijn dus twee receptoren die helpen met het sorteren van stuifmeelkorrels, een voor wenselijke en een voor onwenselijke.

De onderzoekers ontdekte dat de kettingreactie die FER in gang zet stikstofoxide produceert. Stikstofoxide op z’n beurt remt de productie van reactieve zuurstof, en zorgt er zo voor dat de pollenbuis zich kan ontwikkelen. Om te kijken of bij aanwezigheid van stikstofoxide ook onwenselijke stuifmeelkorrels helpt doorgang te krijgen, behandelde de onderzoekers planten met GSNO, dat de werking van stikstofoxide nabootst. Wat bleek, onwenselijke stuifmeelkorrels konden nu de bloem bevruchten.

Stikstofoxide zorgt er dus voor ongehinderde pollenbuisvorming. Deze kennis kunnen veredelaars goed gebruiken om ver-verwante planten te kruisen. Iets wat vaak gewenst maar moeilijk is, omdat planten stuifmeelkorrels van de verre verwant vaak niet als wenselijk herkennen. Maar door de planten voor de gek te houden kan het nu toch.

Literatuur

Huang, J., Yang, L., Yang, L. et al. (2023) Stigma receptors control intraspecies and interspecies barriers in Brassicaceae. Nature614, 303–308. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05640-x