Gene editing via grafting

Gene editing via grafting

Something we cannot ignore is our need for better plants. Plants that can deal better with extremes, like drought, heat, or salt. Plants that are better protected against pests. That have a higher yield. That are more nutritious. A whole shopping list. And rather yesterday than today. Techniques like gene editing can help to get there quickly. But unfortunately, we cannot use it on all crops. Now a team of German scientist thinks it has found a solution.

In order to perform gene editing, researchers place the editing machinery, like the Cas enzyme, together with a guid RNA into some of a plant cells. Only in these cells gene editing takes place. Using tissue culture researchers grow these cells back into a whole plant, with in each cell containing the editing change. This last part, growing a new plant from a single cell using tissue culture, is not something researchers can do for all crops.

To avoid this barrier, German researchers ask themselves the question if it was possible using grafts to transfer from one plant to another the gene editing machinery and guide RNA. Plants use for their communication mobile signals, of which mobile RNAs are one. The researchers used this knowledge. They added a mobility signal to the gene editing machinery and the guide RNA, and place those into Arabidopsis, tale cress.

The first steps of a promising technique

Subsequently they grafted the roots of a plant with the gene editing machinery onto a shoot of a plant without the gene editing machinery and analysed the result. In plants with gene editing machinery without the mobile signal not much happened. But when the mobility signal was there, then the researchers observed gene editing in the shoot. Moreover, offspring of these plants had the editing change in their DNA but not the gene editing machinery.

To test if they could use this method to change genes in distantly related species, the researchers grafted an oilseed rape shoot onto tale cress roots. And just like before, the researchers observed gene editing taking place in the shoot.

With this technique it is possible to use gene editing on plants that can not be grown from a single cell with tissue culture. The first steps of a promising technique. Hopefully one that will help to make all our crops future proof.

Literature

Yang, L., Machin, F., Wang, S., Saplaoura, E., and Kragler, F. (2023) Heritable transgene-free genome editing in plants by grafting of wild-type shoots to transgenic donor rootstocks. Nat Biotechnol. https://doi.org/10.1038/s41587-022-01585-8

Gen editing via enten

Gen editing via enten

Iets waar we niet onderuit kunnen is de noodzaak voor betere planten. Planten die beter tegen extremen, zoals droogte, hitte, of zout kunnen. Planten die beter beschermd zijn tegen plagen. Een hogere opbrengst hebben. Voedzamer zijn. Een hele waslijst. En liever gisteren nog dan vandaag. Technieken zoals gen editing kunnen helpen om dit snel voor elkaar te krijgen. Maar helaas kunnen we die niet voor alle gewassen gebruiken. Een team van Duitse onderzoekers denkt hier nu iets op gevonden te hebben.

Voor gen editing plaatsen onderzoekers de editing machinerie, zoals het Cas enzym, met een gids RNA in plantencellen. Alleen in deze cellen vindt gen editing plaats. Met behulp van weefselkweek groeien onderzoekers deze cellen vervolgens uit tot een hele plant, met in elke cel de oorspronkelijke verandering. Dit laatste, het met behulp van weefselkweek groeien van een plant uit een enkele cel, lukt helaas niet voor veel gewassen.

Om deze hindernis te omzeilen analyseerde de Duitse onderzoekers of het mogelijk is om de editing machine en gids-RNA doormiddel van enten aan een plant te geven. Planten maken voor hun communicatie gebruik van veel mobile signalen, onder andere mobile RNAs. Van deze kennis maarke de onderzoekers gebruik. Ze voegde het mobiliteitssignaal aan de gen editing machinerie en het gids-RNA, en plaatste dit vervolgens in Arabidopsis, zandraket.

De eerste stappen van een veel belovende techniek

Vervolgens entte ze de wortels van de plant met de gen editing machinerie aan de stengel van een plant zonder gen editing machinerie, en analyseerde of er gen editing plaatsvond in de stengel. In planten die gen editing machinerie zonder mobiliteitssignaal vond er geen gen editing plaats. Maar was het mobiliteitssignaal aanwezig dan observeerde de onderzoekers gen editing in de stengel. Nakomelingen van deze planten hadden wel de gemaakte verandering in hun DNA, maar geen gen editing machinerie.

Om te testen of zo ook genen van een ververwand gewas konden aanpassen, entte ze een raapzaad stengel op de wortels van de zandraket met de mobile gen editing machinerie. Ook hier observeerde de onderzoekets gen editing in de stengel.

Met deze techniek lijkt het dus mogelijk om ook moeilijk met weefselkweek op te kweken planten aan te passen met behulp van gen editing. Het zijn de eerste stappen van een veel belovende techniek. Hopelijk een die helpt al onze gewassen toekomst bestendig te maken.

Literatuur

Yang, L., Machin, F., Wang, S., Saplaoura, E., and Kragler, F. (2023) Heritable transgene-free genome editing in plants by grafting of wild-type shoots to transgenic donor rootstocks. Nat Biotechnol. https://doi.org/10.1038/s41587-022-01585-8

Arrested development

Arrested development

Plants procreate through a double fertilization. They don’t get twins, only one of the two sperm cells fertilizes an egg cell. The second sperm cell is needed for the fertilization of the central cell. To form the endosperm, tissue that supports the developing embryo in its growth and germination. Giving the endosperm an important task. But sometimes it fails to execute that task. Like for example when it is formed from two species with a different genome number. Then embryo development arrests. Researchers from Sweden and Germany found out why.

After fertilization endosperm develops through first undergoing lots of nuclear divisions without the following cell division. Only after getting the desired number of nuclei, the cellularization will start. But not if the parents of the endosperm do not have the same number of genomes. With as result that also embryo development stops.

With a little ABA researchers can help the endosperm

To study what precisely causes the endosperm not to cellularize, the researchers analysed which genes were expressed in the endosperm. They discovered that especially genes for making, processing, and reaction to the drought stress manager behaved differently. With as result; there was more ABA present in the endosperm when its parents did not have an equal number of genomes.

Now the big question was why there was more ABA. Was it the cause that the cellularization did not start, or was the endosperm trying to safe embryo development? When the researchers inhibited the breakdown of ABA, then they saw more seeds with parents that do not have an equal number of genomes survive. But when they switched off the synthesis of ABA, then less seeds with parents that do not have an equal number of genomes survived. The confirmation that ABA was needed to survive came when the researchers grew the seeds parents that do not have an equal number of genomes on growth medium. With extra ABA in the medium more seeds survived.

Endosperm is doing all it can to safe embryo development. With a little extra ABA researchers can help seeds with parents that do not have an equal number of genomes to develop correctly. Now this is known it means in practice; that we can support the seeds out crosses from plants that do not have an equal number of genomes, and hopefully develop new plants.

Literature

Wenjia Xu, Hikaru Sato, Heinrich Bente, Juan Santos-González, Claudia Köhler (2022) Endosperm cellularization failure induces a dehydration stress response leading to embryo arrest. The Plant Cell, koac337, https://doi.org/10.1093/plcell/koac337

Gestrande ontwikkeling

Gestrande ontwikkeling

Planten planten zich voort via een dubbele bevruchting. Ze krijgen geen tweelingzaadjes, maar een van de twee spermacellen bevrucht een eicel. De tweede spermacel is nodig voor de bevruchting van de centrale cel. Om zo het endosperm te vormen, weefsel dat het ontwikkelende embryo ondersteund in z’n groei en ontkieming. Het endosperm heeft dus een belangrijke functie. Maar soms lukt het niet om deze goed uit te voeren. Zoals na een kruising tussen twee soorten met een verschillend aantal genomen. Dan strandt de ontwikkeling van het embryo. Onderzoekers uit Zweden en Duitsland hebben nu ontdekt waarom.

Na de bevruchting ontwikkelt endosperm zich door eerst zo veel mogelijk de nucleus te vermenigvuldigen zonder dat er een celdeling op volgt. Pas nadat er de gewenste aantallen nuclei zijn komt de celvorming op gang. Maar dit gebeurt niet wanneer de ouders van het endosperm geen gelijke hoeveelheid genomen hadden. Met als gevolg dat ook de ontwikkeling van het embryo stopt.

Met een beetje ABA kunnen onderzoekers het endosperm helpen

Om te bestuderen wat er nu precies voor zorgt dat in het endosperm geen celvorming plaatsvindt keken de onderzoekers naar welke genen er opdat moment aan staan in het endosperm. Zo ontdekte de onderzoekers dat de genen voor het maken, verwerken en reageren op de droogte stress manager ABA zich anders gedroegen. Dit had als gevolg dat er meer ABA aanwezig was in het endosperm wanneer de ouders geen gelijk aantal genomen heeft.

De grote vraag was nu waarom was er meer ABA aanwezig? Was het de oorzaak dat de celdeling niet op gang komt, of een poging van het endosperm om te redden wat er te redden valt? Om deze te beantwoorde schakelde de onderzoekers de afbraak van ABA uit. Ze zagen dat er meer zaden van ouders met een ongelijk aantal genomen het overleefde. Maar schakelde de onderzoekers de synthese van ABA uit, dan overleefde er juist minder. Dat ABA juist nodig is om te overleven bevestigde de onderzoekers door zaden van ouders met een ongelijk aantal genomen op groeimedium te groeien. Met extra ABA in het medium overleefde er meer zaden.

Het endosperm probeert dus te redden wat er te redden valt. Met een beetje extra ABA kunnen onderzoekers het helpen om zaden van ouders met een ongelijk aantal genomen goed te laten ontwikkelen. Nu dit betekent is kunnen we zaden uit kruisingen van planten met een ongelijk aantal genomen ondersteunen, en hopelijk zo nieuwe planten ontwikkelen.

Literatuur

Wenjia Xu, Hikaru Sato, Heinrich Bente, Juan Santos-González, Claudia Köhler (2022) Endosperm cellularization failure induces a dehydration stress response leading to embryo arrest. The Plant Cell, koac337, https://doi.org/10.1093/plcell/koac337