Birth of a gene

Birth of a gene

A gene, one that does something new, that has a different expression, often emerges from an old, already existing gene. Through duplication, through the shuffling of domains, through mutations. But not out of nothing. That what is often the believed. May be a mystery how genes emerged in the first place, but that is not relevant now a days. Or maybe it is. A group of researchers from Mexico and the Netherlands observed the birth of a new gene, that emerged without the duplication or domain shuffling often observed.

It started with the identification of a tale cress mutant called TWISTED. The siliques from TWISTED have a strong righthanded turn. Not only the siliques, everything shows a righthanded turn.

A completely new gene

In finding the gene responsible for this twisted phenotype, the researchers stumbled on a small region of the genome. A 334 nucleotide long piece of DNA that appeared to code for a protein. Closer observation showed that this piece of DNA indeed encodes a protein. And one that the mutation gave a higher expression. It had more TWISTED proteins.

But this mini-gene did not show any comparisons with other genes in Arabidopsis, or any other organisms in general. Only a handful of other plants from the tale cress family had a copy of it. A completely new gene. Only a couple of million years old.

Literature

Nayelli Marsch-Martínez, J. Irepan Reyes-Olalde, Antonio Chalfun-Junior, Marian Bemer, Yolanda Durán-Medina, Juan Carlos Ochoa-Sánchez, Herenia Guerrero-Largo, Humberto Herrera-Ubaldo, Jurriaan Mes, Alejandra Chacón, Rocio Escobar-Guzmán, Andy Pereira, Luis Herrera-Estrella, Gerco C. Angenent, Luis Delaye, and Stefan de Folter. 2022 Twisting development, the birth of a potential new gene. iScience 25, 105627 https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105627

De geboorte van een gen

De geboorte van een gen

Een gen, dat iets nieuws doet of ergens anders tot expressie komt, komt vaak voort uit een oud, bestaand gen. Door duplicatie, door het husselen van domeinen, door mutaties. Maar niet uit het niets. Dat is veel al de gedachte. Hoe genen dan in de eerste plaats tot stand kwamen is dan wel een raadsel, maar niet relevant voor vandaag de dag. Of misschien toch wel. Een groep van onderzoekers uit Mexico en Nederland observeerde de geboorte van een nieuw gen, zonder dat er duplicatie of domein hussel plaats vond.

Het begon met de identificatie van een zandraket mutant genaamd TWISTED. De siliques, de zaadhuizen, van TWISTED zijn sterk rechts omkeer gedraaid. Maar niet alleen de zaadhuizen, alles vertoont een rechtsdraaiende draai.

Een compleet nieuw gen

Bij het uitzoeken van welk gen verantwoordelijk was voor het gedraaide uiterlijk van TWISTED kwamen de onderzoekers uit bij een kleine regio in het genoom. Een 334 nucleotide lang stuk DNA dat voor een peptide zou coderen. Bij nader studie bleek dit stuk DNA inderdaad een eiwit te coderen. Ook bleek door de mutatie dit gen een hogere expressie te hebben. Er kwamen meer TWISTED-eiwitten.

Maar dit mini-gen vertoonde geen gelijkenis met andere genen van Arabidopsis, de zandraket, of van andere organismen in het algemeen. Alleen in een handvol andere planten van de zandraket familie kwam het gen voor. Een compleet nieuw gen dus. Pas een paar miljoen jaar oud

Literatuur

Nayelli Marsch-Martínez, J. Irepan Reyes-Olalde, Antonio Chalfun-Junior, Marian Bemer, Yolanda Durán-Medina, Juan Carlos Ochoa-Sánchez, Herenia Guerrero-Largo, Humberto Herrera-Ubaldo, Jurriaan Mes, Alejandra Chacón, Rocio Escobar-Guzmán, Andy Pereira, Luis Herrera-Estrella, Gerco C. Angenent, Luis Delaye, and Stefan de Folter. 2022 Twisting development, the birth of a potential new gene. iScience 25, 105627 https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105627

Getting it just right

Getting it just right

Plants can’t change place when their environment changes. Whether it is warm or cold, wet or dry, all a plant can do is adapt. One of the things it adapts is the size of its flowers. German researchers found out that under warm conditions the flowers are smaller than under cold conditions.

Flowers, and their size, are important for the reproduction of the plant. Larger flowers are attracting more pollinators. However, flowers also house the pollen and ovules, which are not allowed to get overheated, something easier prevented in small flowers. It is thus a balancing act to get the flower size precisely right.

To analyse the effect of the temperature, the researchers grew multiple tale cress (Arabidopsis thaliana) and its close relative sand rock-cress (Arabidopsis arenosa)  at 17 and 23 °C. The researchers noticed that the flowers of both tale cress as its close relative sand rock-cress were smaller at 23 °C than at 17 °C. Although the size difference was smaller for the pollinator dependent sand rock-cress than for the self-pollinating tale cress.

The MAF gene  on/off-switches are responsible for getting the flower size just right

In response to a higher temperature a plant of course adjusts more than just its flower size. For example, it also adjusts the size of its leaves and the time of flowering. The researchers analysed these traits together with flower size. And although all three traits show temperature response, it appears that these traits are regulated independently.

The temperature dependent flower size, the researchers found out, is regulated by a group gene on/off switches, MAF2 to MAF5. Flower size is less dependent on temperature in plants without any MAF2, MAF3 or MAF4. Those plants had already smaller flower sizes at 17 °C. No larger flowers without MAF2, 3, or 4. But, so observed the researchers, there is no difference in the amount of MAF2, 3, 4, or 5 at 17 or 23 °C. The reaction to a higher temperature is independent of a gene on/off-switch for MAF2, 3, 4, and 5.

To much heat does no good to a flower. The MAF gene on/off-switches keep an eye on the temperature and react when the heat gets to much. They are responsible for getting the flower size just right. But how exactly they do this is still unknown.

Literature

Wiszniewski, Andrew; Uberegui, Estefanía; Messer, Michaela; Sultanova, Gulmairam; Borghi, Monica; Duarte, Gustavo Turqueto; Vicente, Rubén; Sageman-Furnas, Katelyn; Fernie, Alisdair R; Nikoloski, Zoran; Laitinen, Roosa A E (2022) Temperature-mediated flower size plasticity in Arabidopsis. iScience 25, 105411 https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105411

Het precies goed krijgen

Het precies goed krijgen

Planten kunnen zich niet verplaatsen wanneer hun omgeving veranderd. Of het nou warm of koud is, nat of droog, de plant heeft zich maar aan te passen. Een van die aanpassingen is bloemgrote. Onder warme omstandigheden zijn de bloemen kleiner dan onder koelere temperaturen, zo ontdekte Duitse onderzoekers.

Bloemen, en hun grote, zijn van belang voor de voortplanting van de plant. Zo trekken grotere bloemen meer bestuivers aan. Maar huizen bloemen ook stuifmeel en het zaadbeginsel, die niet oververhit mogen raken, wat weer makkelijker voor elkaar te krijgen in kleinere bloemen. Een balanceer act om de grote van de bloemen precies goed te krijgen.

Om het effect van temperatuur te onderzoeken groeide de onderzoekers meerdere planten van de zandraket (Arabidopsis thaliana) en van de verwante rozetsteenkers (Arabidopsis arenosa) op 17 en 23 °C. De onderzoekers zagen dat de bloemen van zowel zandraket als van de verwante rozetsteenkers kleiner waren bij 23 °C dan bij 17 °C. Al was het verschil bij de van bestuivers afhankelijke rozetsteenkers kleiner dan bij de zichzelf bestuivende zandraket.

The MAF gen-aan/uitzetters zijn verantwoordelijk om de bloemgrote precies goed te krijgen

Natuurlijk past een plant past meer dingen aan als reactie op een hogere temperatuur dan alleen de bloemgrote. Zo past de plant onder andere ook aan de grote van de bladeren, en wanneer het gaat bloeien. De onderzoekers analyseerden deze eigenschappen samen met de bloemgrote. En alhoewel alle drie een tempratuur afhankelijke aanpassing laten zien, lijken deze aanpassingen onafhankelijk van elkaar te zijn gedaan.

De temperatuur afhankelijke bloemgrote, zo ontdekte de onderzoekers, is afhankelijk van een specifieke groep gen-aan/uitzetters, MAF2 tot MAF5. In planten zonder MAF2, MAF3 of MAF4 is de bloemgrote minder afhankelijk van de temperatuur. Ze hadden al kleinere bloemen bij 17 °C. Zonder MAF2, 3, of 4 dus geen grotere bloemen. Maar zo ontdekte de onderzoekers, de hoeveelheid MAF2, 3, 4, of 5 verschilt niet tussen 17 en 23 °C. De reactie op een hogere temperatuur is dus onafhankelijk van een gen-aan/uitzetter voor MAF2, 3, 4, 5.

Te veel hitte is niet goed voor de bloem. De MAF gen-aan/uitzetters houden de temperatuur in de gaten en grijpen in wanneer die te veel oploopt. Zij zijn verantwoordelijk om de bloemgrote precies goed te krijgen. Hoe ze dat doen dat is voor nu nog onbekend.  

Literatuur

Wiszniewski, Andrew; Uberegui, Estefanía; Messer, Michaela; Sultanova, Gulmairam; Borghi, Monica; Duarte, Gustavo Turqueto; Vicente, Rubén; Sageman-Furnas, Katelyn; Fernie, Alisdair R; Nikoloski, Zoran; Laitinen, Roosa A E (2022) Temperature-mediated flower size plasticity in Arabidopsis. iScience 25, 105411 https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105411