New plants

New plants

Plants reproduce through pollination. But they can do it also without. For example, can you multiply plants via cuttings. The cuttings are a clone of the mother plant. You can also do this on a much smaller scale. Take mature cells, from for example a leaf, and grow them on culture media and under the right conditions these mature cells will take on an embryo-cell identity. Researchers call this process somatic embryogenesis. It is a well-known technique used by breeders for multiplying plants. But we actually don’t really know what the underling mechanism of this process is. Dutch researchers are trying to change this.

Specifically, the researchers focused on the role of endogenous auxin. Of this plant hormone it is known that it is required for normal embryos to develop from a ball of cells into the shape of a plant. But it is not really clear what its job during somatic embryogenesis. More so because synthetic auxin is also needed during the process of acquiring the embryonic cell fate.

The first thing the researchers did was determine when the cells get their embryonic cell identity. This they did using an embryo specific marker WOX2. The researchers observed lighting up of the marker after 5 to 6 days only in cells growing on medium with the synthetic auxin. Those cells developed into a kind of pro-embryos. But only after transfer to medium without synthetic auxin did the pro-embryos develop into clearly distinguishable globular embryos, the ball of cells. And subsequently developed just like normal embryos.

Endogenous auxin is clearly needed to keep the acquired embryogenic cell identity

To find out the role of endogenous auxin in all this, the researchers looked to auxin synthesis. They observed that the auxin synthesis genes were turned on from day 7, when the cells had acquired their embryonic cell identity. Blocked the researchers the ability to turn on these auxin synthesis genes, then the cells lost their embryonic cell identity. Production of endogenous auxin is a thus a requirement for maintaining embryonic cell identity.

But control of the distribution of auxin is also needed for the development from a ball of cells into a plant. When the researchers blocked the ability of the cell to take up auxin, then these cells also lost their embryogenic cell identity. But the ability to pump auxin out of the cell had no influence on this. The cells kept their embryogenic cell identity when blocking of the auxin efflux pumps, but they lost the ability to develop from a ball of cells into a plant.

Endogenous auxin is clearly needed to keep the acquired embryogenic cell identity. Now this is known, breeders can use this to improve the procedure of multiplying plants through embryogenesis. But the question remains what happens in those first 5 to 7 days during which the cell acquires its embryogenic cell identity.

Literature

Karami, O., Philipsen, C., Rahimi, A., Nurillah, A.R., Boutilier, K. and Offringa, R. (2023), Endogenous auxin maintains embryonic cell identity and promotes somatic embryo development in Arabidopsis. Plant Journal, 113: 7-22. https://doi.org/10.1111/tpj.16024

Nieuwe plantjes

Nieuwe plantjes

Planten planten zich voort door bestuiving. Maar ze kunnen het ook zonder. Zo kan je planten vermeerderen door ze te stekken. De stekjes zijn dan een kloon van de moederplant. Dit stekken kun je ook op een veel kleinere schaal doen. Waarbij je volwassen cellen, van bijvoorbeeld een blad neemt, deze groeit op groeimedium en onder de juiste condities nemen deze volwassen cellen een embryo-cel identiteit aan. Iets wat onderzoekers somatische embryogenesis noemen. Het is een veel gebruikte techniek door kwekers om planten te vermenigvuldigen. Maar wat het achterliggende mechanisme hiervan precies is weten we eigenlijk niet. Onderzoekers uit Leiden en Wageningen hopen hier verandering in te brengen.

Specifiek keken de onderzoekers naar de rol van plant eigen auxine. Van dit plant hormoon is bekend dat het nodig is voor gewone embryo’s om zich van een bolletje cellen in de vorm van een plant ontwikkelen. Maar wat z’n taak is bij somatische embryo’s is niet echt duidelijk. Temeer om dat om de embryo-cel identiteit aan te meten synthetische auxine van buiten nodig is.

Het eerste wat de onderzoekers deden was vaststellen wanneer de cellen hun embryo-identiteit aannemen. Dit deden ze met behulp van het embryo specifieke marker WOX2. Alleen in cellen groeiend op medium met synthetische auxine zagen de onderzoekers de marker na 5 of 6 dagen oplichten. De cellen ontwikkelde zich tot een soort van pro-embryo’s. Pas na verplaatsing naar auxine vrij medium ontwikkelde deze pro-embryo’s zich in duidelijk herkenbare globular embryo’s, het bolletje cellen, en vervolgens ontwikkelde ze zich net al normale embryo’s.

Plant eigen auxine is duidelijk nodig om de embryo-cel identiteit te behouden

Om de rol van plant eigen auxine te ontdekken, onderzochten de onderzoekers eerst de auxine synthese. Hierbij zagen ze dat de auxine synthese genen aan stonden van af dag 7, wanneer de cellen een embryo-identiteit hadden. Voorkwamen de onderzoekers dit aanzetten van de auxine synthese genen, dan verloren de cellen hun verkregen embryo-identiteit weer. Het aanmaken van eigen auxine was dus nodig voor het behoud van de embryo-cel identiteit.

Maar om te ontwikkelen van een bolletje cellen in een plant is ook de controle van de verspreiding van auxine nodig. Blokkeerde de onderzoekers het opnemen van auxine door de cel, dan verloren de cellen ook hun embryo-cel identiteit. Het pompen van auxine uit de cel, om zo een gradiënt te vormen had geen invloed hierop. Bij het blokkeren van de pompen die auxine de cel uit pompte behielden de cellen hun embryo-cel identiteit, maar ze ontwikkelde zich niet verder dan een bolletje cellen.

Plant eigen auxine is duidelijk nodig om de embryo-cel identiteit te behouden wanneer deze eenmaal ontwikkeld is. Nu dit bekend is kunnen kwekers dit gebruiken om de vermenigvuldiging via somatische embryogenesis te verbeteren. Maar de vraag blijft wat er nu precies voor zorgt in die eerste 5 tot 7 dagen dat het duurt om de embryo-cel identiteit te verkrijgen.

Literatuur

Karami, O., Philipsen, C., Rahimi, A., Nurillah, A.R., Boutilier, K. and Offringa, R. (2023), Endogenous auxin maintains embryonic cell identity and promotes somatic embryo development in Arabidopsis. Plant Journal, 113: 7-22. https://doi.org/10.1111/tpj.16024

Only supple cells may stretch

Only supple cells may stretch

Growth, through making more cells. Or through stretching the cells. Or maybe through something that is a bit in between, what makes it possible for the cells to get even bigger. Endoreplication: the multiplication of the DNA without a cell division following.  You would expect that the more DNA copies a cell has, the bigger it is. But this is not completely the case. Researchers from Sweden, Canada, Belgium, and France studied how endoreplication influences cell size.

To study endoreplication the researchers looked at just germinated seedlings. These grow super quickly, through stretching. This happens at one side of the hypocotyl, the part of the stem between the root and the embryogenic leaves, quicker than on the other side. Making the hypocotyl bend, forming a little hook. In this was the seedling protects its growth centre till it sticks its head above the ground.

In the cells at the outside of this hook the researchers observed more DNA than in the cells that were situated at the inside of the hook. But this was not the case in endoreplication deficient plants. In these plants the hypocotyl bends less and straightens more quickly.

Only supple cell walls are allowed to stretch

Zooming in on the hypocotyl cells, the researchers observed that the cell wall of cells of endoreplication deficient plants was much stiffer than that of normal plants. This made the stretching of the cells at the outside of the hook more difficult. This, it turned out, was due to the guard of the cell wall: THESEUS. THESEUS keeps an eye on stiffness of the cell wall, to prevent damage, allowing only supple cell walls to stretch. But absence of THESEUS allows stiff endoreplication deficient plants to stretch out just as easy as plants that could do endoreplication.

Indicating that endoreplication is influencing cell size through regulating the stiffness of the cell wall. Allowing the cell to stretch itself unchecked by THESEUS. This can work two ways. Through promoting endoreplication, a plant can make sure its cells can stretch themselves. But when the plant puts a brake on endoreplication, then it gets smaller, sturdier cells.

Literature

Yuan Ma, Kristoffer Jonsson, Bibek Aryal, Lieven De Veylder, Olivier Hamant, Rishikesh P. Bhalerao (2022) Endoreplication mediates cell size control via mechanochemical signaling from cell wall. Sci. Adv., 8 (49), eabq2047 DOI: 10.1126/sciadv.abq2047

Alleen soepele cellen mogen zich uitstrekken

Alleen soepele cellen mogen zich uitstrekken

Groei, het kan door meer cellen te maken. Doormiddel van het uitstrekken van cellen. Er is ook iets dat hier een beetje tussen in zit. Wat het mogelijk maakt dat de cellen nog groter worden. Endoreplicatie: het vermenigvuldigen van het DNA zonder dat er een celdeling op volgt. Je zou verwachten hoe meer kopietjes van het DNA de cel heeft hoe groter deze is. Maar dat is niet helemaal waar. Een groep van onderzoekers uit Zweden, Canada, België en Frankrijk zochten uit hoe endoreplicatie de cel grote beïnvloed.

Om dit te onderzoeken bestudeerde de onderzoekers net ontkiemde zaailingen. Deze groeien razendsnel, door zich uit te strekken. Dit gebeurt aan een kant van de hypocotyl, het gedeelte van de stengel tussen de wortel en de embryonale bladeren, sneller dan aan de andere kant, zodat hypocotyl buigt en een haakje vormt. Zo beschermt de zaailing z’n groeikern totdat deze boven de grond uit steekt.

In de cellen aan buitenkant van het haakje zagen de onderzoekers meer DNA dan in de cellen aan de binnenkant van het haakje. Maar in planten waar geen endoreplicatie plaats vond, was dit niet het geval. Zodat de hypocotyl minder diep buigt, en sneller omhoogkomt uit z’n buiging.

Alleen soepele celwanden hebben toestemming om uit te rekken

Inzoomend op de cellen van de hypocotyl ontdekte de onderzoekers dat de celwand van cellen van endoreplicatie loze planten veel stijver is dan normale planten. Dit maakte het uitstrekken van de cellen aan de buitenkant moeilijker. Dit, zo bleek, kwam door de bewaker van de celwand: THESEUS. Om schade te voorkomen houdt THESEUS de celwand in de gaten, en geeft alleen soepele celwanden toestemming om uit te rekken. Maar afwezigheid van THESEUS maakt het mogelijk voor stijve endoreplicatie loze planten om zich net zo makkelijk uit te strekken als planten met endoreplicatie.

Endoreplicatie beïnvloed dus de grote van de cel door ervoor te zorgen dat de celwand minder stijf is. Dan kan de cel zich ongestoord, zonder tussenkomst van THESEUS, uitstrekken. Dit kan natuurlijk twee kanten op werken. Door endoreplicatie te bevorderen zorgt de plant ervoor dat z’n cellen zich kunnen uitstrekken. Houd de plant endoreplicatie tegen dan krijgt het kleinere, stevigere cellen.

Literatuur

Yuan Ma, Kristoffer Jonsson, Bibek Aryal, Lieven De Veylder, Olivier Hamant, Rishikesh P. Bhalerao (2022) Endoreplication mediates cell size control via mechanochemical signaling from cell wall. Sci. Adv., 8 (49), eabq2047 DOI: 10.1126/sciadv.abq2047