Don’t touch me

Don’t touch me

Plants are most often not recognised for their speed. Their reaction is often hardly visible with the naked eye, to see them moving you really need some patience. But as always there are some exceptions. Those that react quickly. To catch insects. Or to scare them away. They do that without a central nervous system or muscles, required for a fast reaction from animals. And they still manage it. Now Japanese researchers lift a tip of the curtain to reveal how this is possible.

One of those quick plants is the plant touch-me-not. It does not like to be touched. When you dare to touch it anyway, then it closes its leaf. When a grasshopper takes a bite for a leaf, then it closes super-fast. So quick that the leg of the insects gets caught between the blades of the leaf. All the other leaves of the plant follow, and close. Not really a relaxed place to have something to eat.

The researchers studied what happens inside the leaf after touching or wounding. They did this using a sensor to visualize the calcium concentration inside the cell. After touching, the researchers noticed a light of the sensor quickly traveling along the midvein of the leaf. From where the leaf was touched towards the stem of the plant. Whereafter the leaf closed.

Calcium signals are essential to be able to react quickly

When the researchers wounded the leaf, by cutting it with some scissors, then the sensor lights up near the wounding site, and the leaf closes here. After a short break the researchers noticed the light quickly travelling further alongside the midvein of the leaf, and the closing of the rest of the leaf. A wound is thus giving two calcium signals, while touch results in only one. Allowing the plant to decide if it needs to close all its leaves or only one.

Knowing now the kind of messenger the plant releases after touch or wounding, they decide to block these to see what would happen. Touch-me-not plants that could not transmit any signals did not close their leaves after touching of wounding. In real life, the researchers observed, this meant that the plants were visited more often by insects. There they could with all the time of the world eat from touch-me-not its leaves.

Showing that these signals are essential to be able to react quickly. But how the calcium signal causes the closing of the leaves is still unknown. That secret touch-me-not is keeping for itself for the moment.

Literature

Hagihara, T., Mano, H., Miura, T., Hasebe, M., and Toyota, M. (2022) Calcium-mediated rapid movements defend against herbivorous insects in Mimosa pudica. Nat Commun 13, 6412. https://doi.org/10.1038/s41467-022-34106-x

You can see the calcium signal traveling alongside the midriff of the leaf in videos accompanying the article. For when it is touched and for when it is wounded.

Raak me niet aan

Raak me niet aan

Planten staan meestal niet bekend om hun snelheid. Hun reactie is vaak nauwelijks zichtbaar met het blote oog, je moet echt geduld hebben wil je ze in actie zien. Er zijn een paar uitzonderingen. Die reageren snel. Om insecten te vangen. Of om ze juist weg te jagen. Dat doen ze zonder zenuwstelsel, en zonder spieren, noodzakelijk voor snelle reactie bij dieren. En toch lukt het. Nu lichten Japanse onderzoekers een tipje van de sluier hoe dit mogelijk is.

Een van de snelle planten is het plantje roer-me-niet. Hij houdt er niet van om aangeraakt te worden. Waag je het toch, dan klap het blad dicht. Neemt een sprinkhaan een hapje van een blad, dan sluit deze vliegensvlug. Zo snel dat de poot van het insect tussen de bladeren komt te zitten. Ook alle andere bladeren van de planten sluiten snel hun blad. Niet echt een rustig plekje om te eten.

De onderzoekers bestudeerde wat er in het blad gebeurt na aanraking of verwonding. Dit deden ze met hulp van een sensor om de calcium concentratie in de cel zichtbaar te maken. Bij aanraking zagen de onderzoekers het licht van de sensor zich snel verplaatsen over het middenrif van het blad. Van waar het was aangeraakt richting de stengel. Waarna het blad zich sloot.

Calcium signaaltjes zijn essentieel on snel te kunnen reageren

Verwonden de onderzoekers het blad, door er met een schaar in te knippen, dan lichte de sensor op bij de wond en sloot het blad zich hier. Na een korte pauze zagen de onderzoekers in rap tempo achter elkaar de sensor oplichten over de rest van het middenrif van het blad. Waarna de rest van het blad dichtklapte. Een wond geeft dus twee signaaltjes van calcium af, terwijl bij aanraking er maar eentje is. Dit staat de plant in staat om te beslissen of het al z’n bladeren moet sluiten of niet.

Nu de onderzoekers wisten welke boodschap de plant doorgeeft na aanraking of verwonding, besloten ze deze te blokkeren. Roer-me-niet plantjes die geen signaaltjes konden doorgeven sloten hun bladeren niet na aanraking of verwonding. In de praktijk, zo zagen de onderzoekers, betekende dit dat de planten meer bezoek van insecten kregen. Die in alle rust van roer-me-niet z’n bladeren aten.

Die signaaltjes, zijn dus essentieel om snel te kunnen reageren. Maar hoe het calcium signaal voor het sluiten van het blad zorgt is nog niet bekend. Dat geheimhoudt roer-me-niet nog even voor zichzelf.

Literatuur

Hagihara, T., Mano, H., Miura, T., Hasebe, M., and Toyota, M. (2022) Calcium-mediated rapid movements defend against herbivorous insects in Mimosa pudica. Nat Commun 13, 6412. https://doi.org/10.1038/s41467-022-34106-x

In de bij het artikel bijgeleverde video’s kan je het calcium signaal over het middenrif van het blad zien reizen. Voor aanraking en verwonding.

New leads

New leads

Sometimes you will need new leads. Like for the question how the signal from mechanosensitive channels is transferred to the rest of the plant. A research group from the US went searching for those new leads to answer this question.

Mechanosensitive channels are membrane proteins which let through a signal after the membrane changes form, like when a barrier presses into it. This signal is often in the form of an ion, like Ca2+. After letting through the signal, researchers observe that an adaptation, like change of direction of growth, takes place. But what is actually picking up this ionic signal and translates it in a concrete action is unknown.

To find out researchers studied which proteins are binding the mechanosensitive channel MSL10. This gave them a long list of proteins. But zooming in on the proteins that most frequently bind MSL10 the researchers noticed that these were part of ER-plasma membrane contact sites. Like VAP27-1, VAP27-2, and SYT1. Closer study showed that only the ER localised VAP27-1 and VAP27-3 directly bind to plasma membrane localised MSL10. With the actual interaction between VAP27-1/VAP27-3 and MSL10 creating an ER-plasma membrane contact site.

ER-plasma membrane contact sites are playing an important role in the recognition of the signal

At the same time, the researchers analysed which genes are needed to transfer the signal that  MSL10 lets through into concrete action. For this the researchers used plants that have a form of MSL10 that always lets signals through. As a consequence, these plants are shorter than normal. They mutated the plants using a chemical mutagen and selected the offspring of those plants that were taller. In some of these plants the MSL10 gene was back into its normal form. But two of these plants had a mutation in a different gene, SYT5 and SYT7. Both SYT5 and SYT7 are like SYT1 present in ER-plasma membrane contact sites. From the mutant analysis it turned out that when SYT5 or SYT7 are not working properly the signal of MSL10 is not properly received by the cell.

By far the most question around MSL10 and the signals it lets through have been answered. But this researcher shows that ER-plasma membrane contact sites are playing an important role in the translation of the signal into action. Enough new leads to keep the researchers going.

Literature

Jennette M Codjoe, Ryan A Richardson, Fionn McLoughlin, Richard David Vierstra, Elizabeth S Haswell (2022) Unbiased proteomic and forward genetic screens reveal that mechanosensitive ion channel MSL10 functions at ER–plasma membrane contact sites in Arabidopsis thaliana eLife 11:e80501, https://doi.org/10.7554/eLife.80501

Nieuwe aanknopingen

Nieuwe aanknopingen

Soms heb je een nieuw aanknopingspunt nodig. Zo ook voor hoe mechanisch-gevoelige kanaaltjes hun signaal doorgeven aan de rest van de plant. Een groep onderzoekers uit de US gingen op zoek naar nieuwe aanknopingspunten om deze vraag te beantwoorden.

Mechanisch-gevoelige kanaaltjes zijn membraaneiwitten die wanneer het membraan van vorm veranderd, bijvoorbeeld omdat een barrière het indrukt, een signaal door laat. Dit signaal is vaak in de vorm van een ion, zoals Ca2+. Na het afgeven van het signaal zien onderzoekers dat er een aanpassing plaatsvindt, bijvoorbeeld verandering van groei richting. Maar wat het ionisch signaal na binnenkomst oppikt en omzet in concrete actie is onbekend.

Om dit uit te vinden keken de onderzoekers na welke eiwitten aan het mechanisch-gevoelig kanaal MSL10 binden. Dit gaf een lange lijst met eiwitten. Inzoomend op de eiwitten die het vaakst aan MSL10 binden, zagen de onderzoekers dat deze onderdeel zijn van ER-plasmamembraan contact sites. Zoals VAP27-1, VAP27-2, en SYT1. Bij nader onderzoek bleken alleen ER gelokaliseerde VAP27-1 en VAP27-3 direct aan de plasmamembraan gelokaliseerde MSL10 te binden. Deze interactie tussen VAP27-1/VAP27-3 en MSL10 creëert een ER-plasmamembraan contact site.

ER-plasmamembraan contact sites spelen een belangrijke rol bij het oppikken van het signaal

Tegelijkertijd onderzochten de onderzoekers welke genen noodzakelijk zijn om het signaal van MSL10 om te zetten in een concrete actie. Hiervoor gebruikte de onderzoekers planten met een vorm van MSL10 die altijd signaaltjes doorgeeft. Als gevolg zijn deze planten zijn kleiner dan normaal. Ze behandelde deze planten met een chemisch mutageen om ze te muteren en selecteerde de nakomelingen die groter waren. In sommige van deze planten was het MSL10 gen weer terug in z’n normale vorm. Maar twee van de planten hadden een mutatie in een ander gen, SYT5 en SYT7. Zowel SYT5 als SYT7 zijn net als SYT1 aanwezig in ER-plasmamembraan contact sites. Uit de mutanten analysis blijkt dat als SYT5 of SYT7 niet goed werken dat de cel het signaal van MSL10 niet goed oppikt.

Nog lang niet alle vragen rond omtrent MSL10 en de signalen die het doorlaat zijn beantwoord. Maar het is duidelijk dat ER-plasmamembraan contact sites een belangrijke rol spelen in het omzetten van het signaal in een actie. Genoeg aanknopingspunten dus om mee verder te gaan.

Literatuur

Jennette M Codjoe, Ryan A Richardson, Fionn McLoughlin, Richard David Vierstra, Elizabeth S Haswell (2022) Unbiased proteomic and forward genetic screens reveal that mechanosensitive ion channel MSL10 functions at ER–plasma membrane contact sites in Arabidopsis thaliana eLife 11:e80501, https://doi.org/10.7554/eLife.80501