Keeping the balance when submerged

Keeping the balance when submerged

Plants, just like animals and humans need oxygen to survive. Normally this is no problem. As a by-product of photosynthesis, oxygen is freely available. But by flooding a plant is under water, no photosynthesis can take place resulting in a lack of oxygen. To survive such a submergence, plants switch to oxygen-free use of energy. Less efficient. Plants are therefore keeping an eye out for their energy reserves. Now a group of European researchers found out how plants use this information to regulate the speed of oxygen-free energy use.

The important regulators of the switch from an aerobic to an anaerobic metabolism are ERF-VIIs. This are gene on/off switches. When there is lots of oxygen, then ERF-VIIs are turned off. ERF-VIIs are only allowed by absence of oxygen, like during a flood, to do their job.

To investigate how ERF-VII react to a shortage of energy, the researchers starved plants before submerging them. This they did by placing them for longer than normal in the dark. The researchers noticed that in non-starved, submerged plants ERF-VIIs do their job, switching on genes for the anaerobic metabolism. But this did happen less in starved plants.

TOR is need to let ERF-VIIs know how much energy there is

The question was why. To answer this, the researchers focused on the energy sensor TOR. They analysed TORs activity in submerged starved and non-starved plants. In starved plants TOR appeared not to do much. In contrast, in non-starved plants TOR was very active. But this was short lived, the longer the submergence, the less active TOR got.

To make sure that TOR is actually the cause that the ERF-VIIs were less active in starved plants, the researchers directly studied the effect of TOR on ERF-VIIs. Doing this, the researchers noticed that in plants without TOR the ERF-VIIs did not do their job.

TOR is needed to let the ERF-VIIs know that there is enough energy to keep the anaerobic metabolism going. The longer the plant is submerged the slower TOR does its job. To save energy to survive.

Literature

Alicja B. Kunkowska, Fabrizia Fontana, Federico Betti, Raphael Soeur, Gerold J. M. Beckers, Christian Meyer, Geert De Jaeger, Daan A. Weits, Elena Loreti, Pierdomenico Perata (2023) Target of rapamycin signaling couples energy to oxygen sensing to modulate hypoxic gene expression in Arabidopsis. PNAS Vol. 120 e2212474120 https://doi.org/10.1073/pnas.2212474120

Balans houden bij onderdompeling

Balans houden bij onderdompeling

Planten hebben net als dieren en mensen zuurstof nodig om te overleven. Normaal gesproken geen probleem. Als bij product van fotosynthese is zuurstof ruim aanwezig. Maar is er een overstroming en staat de plant onderwater, kan er geen fotosynthese plaats vinden en is er een tekort aan zuurstof. Om zo’n onderdompeling toch te overleven schakelen planten over op zuurstofloos gebruik van energie. Minder efficiënt. Planten houden daarom een oogje op de beschikbare energie. Nu heeft een groep van Europese onderzoekers uitgezocht uit hoe planten deze informatie te gebruiken om de snelheid van zuurstofloos energie gebruik te reguleren

De belangrijkste regelaars van de omschakeling van een zuurstofrijk naar een zuurstofloos metabolisme zijn ERF-VIIs. Dit zijn gen aan/uitzetters. Is er veel zuurstof aanwezig dan zijn ERF-VIIs uitgeschakeld, alleen bij afwezigheid van zuurstof, door bijvoorbeeld een overstroming, mogen ERF-VIIs aan de slag.

Om te onderzoeken hoe ERF-VIIs reageren wanneer er een tekort aan energie is, verhongerde de onderzoekers planten voor het onderdompelen. Dit deden ze door de planten langer dan normaal in het donker te zetten. In niet verhongerde planten zagen de onderzoekers dat de ERF-VIIs hun werk enthousiast deden, ze schakelde snel de genen aan voor een zuurstofloos metabolisme. Maar dit gebeurde in veel mindere maten in de verhongerde planten.

TOR is nodig om de ERF-VIIs te laten weten hoeveel energie er is

De vraag was waarom. Om die te beantwoorden richtte de onderzoekers hun blik op de energie sensor TOR. Ze keken naar de activiteit van TOR in ondergedompelde verhongerde en niet verhongerde planten. In verhongerde planten bleek TOR niet zo veel te doen. In tegenstelling tot niet verhongerde planten waar TOR erg actief was. Maar ook dit bleek maar voor korte duur, hoe langer de onderdompeling, hoe inactiever TOR is.

Om er zeker van te zijn dat het TOR was die de ERF-VIIs minder actief liet zijn in de verhongerde planten bestudeerde de onderzoekers het effect van TOR op ERF-VIIs. De onderzoekers zagen dat in ondergedompelde planten zonder TOR ERF-VIIs hun werk niet deden.

TOR is nodig om de ERF-VIIs te laten weten dat er genoeg energie is om een zuurstofloos metabolisme aan de gang te houden. Hoe langer de onderdompeling van de plant, hoe rustiger TOR z’n werk doet. Om energie te besparen om te overleven.

Literatuur

Alicja B. Kunkowska, Fabrizia Fontana, Federico Betti, Raphael Soeur, Gerold J. M. Beckers, Christian Meyer, Geert De Jaeger, Daan A. Weits, Elena Loreti, Pierdomenico Perata (2023) Target of rapamycin signaling couples energy to oxygen sensing to modulate hypoxic gene expression in Arabidopsis. PNAS Vol. 120 e2212474120 https://doi.org/10.1073/pnas.2212474120

Working together

Working together

The first thing a seedling does, after its germination, is growing upwards. To get above the ground into the sunlight. A seedling gets there not so much through cell division, but through stretching itself. Researchers know that this is regulated by the plant hormones auxin and brassinosteroid. But how these two growth-managers work together was up to recently not clear. But now Chinese researchers show how the two cooperate.

To investigate if the teams of those hormones really work together, the researchers observed how the brassinosteroid-team responded to instructions from auxin. They did this with help of BZR1, a gene on/off switcher which passes on instructions from brassinosteroid to the rest of the team. Under normal circumstances a seedling stretches itself after auxin application. But is BZR1 absent, then the seedling does not respond to auxin. While when there is a more than normal BZR1, the seedling goes an extra mile in its response to auxin.

In the absence of GRF4 BZR1 can go back doing its job

Subsequently the researchers studied how auxin influences BZR1. The step herein was analysing with which other proteins BZR1 interacts. The researchers noticed that BZR1 together with auxin staff member MPK3, and with the protein GRF4. GRF4 is one of those staff members that keeps you from doing your job. Just what GFR4 does by BRZ1. GRF4, observed the researchers, makes sure that the gene on/off switcher is located in the cytoplasm instead of the nucleus. Without being in the same room as the DNA, BZR1 can not do its job.

The next step was finding out what the auxin staff member MPK3 actually does. The researchers observed that when auxin is present, MPK3 transfers a marker for destruction to GFR4. In this was MPK3 removes GFR4 from BZR1. The absence of GFR4 means that BZR1 can go back to the nucleus to do its job, the turning on of genes needed so that the seedling can stretch itself. By working together, the auxin and brassinosteroid teams manage to get seedling to stick its head above the ground.

Literature

Zipeng Yu, Jinxin Ma, Mengyue Zhang, Xiaoxuan Li, Yi Sun, Mengxin Zhang, an Zhaojun Ding (2023) Auxin promotes hypocotyl elongation by enhancing BZR1 nuclear accumulation in Arabidopsis. Sci. Adv., 9 (1), eade2493. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade2493

Read more about stretching seedlings: Searching for light

Samenwerken

Samenwerken

Het eerste wat een zaailing doet, na het ontkiemen, is omhoog groeien om boven de grond in het zonlicht te komen. Dit doet de zaailing niet zo zeer door meer cellen aan te maken maar door zich uit te strekken. Onderzoekers weten dat de plant hormonen auxine en brassinosteroids dit reguleren. Maar hoe deze twee managers van de groei samenwerken was tot voorkort niet duidelijk. Maar nu laten Chinese onderzoekers zien hoe deze samenwerking te werk gaat.

Om te kijken of de teams van deze twee hormonen echt samenwerken keken de onderzoekers naar hoe het team van brassinosteroid reageerde op instructies van auxine. Dit deden ze met behulp van BZR1, een gene aan/uitzetter die de instructies van brassinosteroid doorgeeft aan de rest van het team. Onder normale omstandigheden strekt een zaailing zich uit als deze auxine toegediend krijgt. Is BZR1 echter afwezig, dan reageert de zaailing niet op auxine. Terwijl als er extra veel BZR1 aanwezig is de zaailing zich extra uitslooft. De brassinosteroid midden-manager lijkt dus ook te reageren op instructies van auxine.

In de afwezigheid van GRF4 kan BZR1 z’n werk weer doen

Vervolgens bestudeerde de onderzoekers hoe auxine BZR1 beïnvloede. De eerste stap hierin was kijken met welke andere eiwitten BZR1 interacteert. De onderzoekers zagen BZR1 samen met de auxine medewerker MPK3, en met een eiwit GRF4. GRF4 is zo’n medewerker die je van het werk af houdt. En dit is net wat GRF4 bij BZR1 doet. GRF4, zo zagen de onderzoekers, zorgt ervoor dat gen aan/uitzetter BZR1 niet in de nucleus maar in het cytoplasma is. Niet meer in dezelfde kamer als het DNA kan BZR1 z’n werk niet doen.

De volgende stap was uitzoeken wat de auxine medewerker MPK3 doet. De onderzoekers zagen dat bij aanwezigheid van auxine, MPK3 een instructie voor vernietiging aan GFR4 geeft. Zo haalt MPK3 GRF4 bij BZR1 weg. Bij afwezigheid van GFR4 kan BZR1 terug de nucleus in om z’n werk te gaan doen, het aanzetten van genen die nodig zijn voor het uitstrekken van de zaailing. Door samen te werken lukt de teams van auxine en brassinosteroid om de zaailing boven de grond uit te laten komen.

Literatuur

Zipeng Yu, Jinxin Ma, Mengyue Zhang, Xiaoxuan Li, Yi Sun, Mengxin Zhang, an Zhaojun Ding (2023) Auxin promotes hypocotyl elongation by enhancing BZR1 nuclear accumulation in Arabidopsis. Sci. Adv., 9 (1), eade2493. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade2493

Meer lezen over uitstrekkende zaailingen: Op zoek naar licht