Only welcome during shortage

Only welcome during shortage

One of the plants challenges is to find enough nutrients for growth. Especially finding enough nitrogen and phosphate can be challenging. A plant needs a lot of these building blocks. But working together with fungi and bacteria can help to acquire more nitrogen or phosphate. But this partnership comes with a price tag. Sugars in exchange for phosphate or nitrogen. Therefore, a plant only works together when there is a nutrient shortage. But how do plants distinguish between the different conditions. Researchers for the UK found out how barley does this.

First, they figured out which signalling molecules from fungi elicited a partnership reaction from barley. They noticed that when barely had a shortage of phosphate or nitrogen both CO and LCO fungal sugars elicited a reaction. While CO-sugars also elicited a clear reaction when there was plenty of nitrogen or phosphate, barley only reacted to LCO-sugars when there was a shortage.

Subsequently, the researchers analysed which of the gene on-switches are needed to initiate the partnership and are switched on themselves as a result of phosphate or nitrogen shortage. This, it turned out, were NSP1 and NSP2. The researchers noticed that barley plants without NSP1 and NSP2 did not initiate partnerships with the fungi.

Recognising fungal signals only during shortage

NSP1 and NSP2 switch-on genes needed for the production of the plant hormone strigolactone and comparable molecules. Therefore, the researchers analysed the effect these molecules on the plant-fungi partnership. They noticed that plants without any ability to perceive strigolatones still initiated plant-fungi partnerships. But when the researchers removed a receptor for an on strigolactone-like molecule, karrikin, then LCO-sugars would not initiate a reaction, and the plant doesn’t initiate plant-fungi partnerships.

After recognising karrikin, the karrikin receptor makes sure that the genes for recognising the LCO-sugars are turned on. In this was the plant makes sure that only when it has not enough nitrogen or phosphate it will recognise the signals for initiating a partnership with beneficial fungi. To get in exchange for sugars some nitrogen or phosphate.

Literature

Xin-Ran Li, Jongho Sun, Doris Albinsky, Darius Zarrabian, Raphaella Hull, Tak Lee, Edwin Jarratt-Barnham, Chai Hao Chiu, Amy Jacobsen, Eleni Soumpourou, Alessio Albanese, Wouter Kohlen, Leonie H. Luginbuehl, BrunoGuillotin, TomLawrensen, Hui Lin, Jeremy Murray, Emma Wallington, Wendy Harwood, Jeongmin Choi, Uta Paszkowski and Giles E. D. Oldroyd (2022) Nutrient regulation of lipochitooligosaccharide recognition in plants via NSP1 and NSP2. Nature Communications 13, 6421. https://doi.org/10.1038/s41467-022-33908-3

Alleen welkom bij schaarste

Alleen welkom bij schaarste

Het vinden van genoeg voedingstoffen is een van de uitdagingen van een plant. Voornamelijk het vinden van genoeg stikstof en fosfaat kan een uitdaging zijn. Van deze bouwstenen heeft een plant er veel nodig. Samenwerking met schimmels of bacteriën kan helpen om aan extra stikstof of fosfaat te komen. Maar dit komt met een prijskaartje. Suikers in ruil voor fosfaat of stikstof. De plant werkt daarom alleen samen wanneer de voedingstoffen echt schaars zijn. Maar hoe maken planten dat onderscheid? Onderzoekers uit het Verenigd Koninkrijk onderzochten hoe gerst dit doet.

Ten eerste zochten ze uit welke signaalstoffen van schimmels bij gerst een reactie om samen te werken uitlokte. Wanneer gerst een tekort heeft aan fosfaat of stikstof resulteren zowel de CO- als de LCO-suikers van schimmels in een reactie. Maar waar CO-suikers ook een duidelijke reactie uitlokken wanneer er genoeg stikstof en fosfaat aanwezig is, zagen de onderzoekers dat gerst alleen op LCO-suikers reageert bij schaarste.

Vervolgens analyseerde de onderzoekers welke gen-aanzetters zowel nodig zijn voor de samenwerking en aangaan bij stikstof of fosfaat te kort. Dit bleken NSP1 en NSP2 te zijn. De onderzoekers zagen dat gerst planten zonder gen aanzetters NSP1 en NSP2 geen samenwerkingsverband aangaan met de schimmels.

Signalen van schimmels alleen herkent bij schaarste

NSP1 en NSP2 zetten de genen voor het maken van het plant hormoon strigolactone en daar op lijkende stoffen aan. Daarom onderzochten de onderzoekers het effect van deze stoffen op het samenwerkingsverband. Ze zagen dat planten planten die strigolactone zelf niet konden waarnemen nog reageren op de LCO-suikers van de schimmel. Maar verwijderde de onderzoekers de receptor voor een op strigolactone lijkende stof, karrikin, dan reageert de plant niet meer op de LCO-suikers, en gaat geen samenwerkingsverband aan.

Wat bleek de karrikin-receptor zorgt ervoor dat na herkenning van karrikin, de genen voor herkenning van de LCO-suikers aan gaan. Zo zorgt de plant ervoor dat alleen wanneer het niet genoeg stikstof of fosfaat heeft, het de signalen voor samenwerking met gunstige schimmels herkent. Om zo in ruil voor suikers meer stikstof of fosfaat te krijgen.

Literatuur

Xin-Ran Li, Jongho Sun, Doris Albinsky, Darius Zarrabian, Raphaella Hull, Tak Lee, Edwin Jarratt-Barnham, Chai Hao Chiu, Amy Jacobsen, Eleni Soumpourou, Alessio Albanese, Wouter Kohlen, Leonie H. Luginbuehl, BrunoGuillotin, TomLawrensen, Hui Lin, Jeremy Murray, Emma Wallington, Wendy Harwood, Jeongmin Choi, Uta Paszkowski and Giles E. D. Oldroyd (2022) Nutrient regulation of lipochitooligosaccharide recognition in plants via NSP1 and NSP2. Nature Communications 13, 6421. https://doi.org/10.1038/s41467-022-33908-3

Juvenile roots

Juvenile roots

Plants, just like humans, go through different life stages. After germination they start off as a seedling, and subsequently grow into a mature plant which, when the circumstances are right, flowers and forms seeds. These phases are good to distinguish for the above ground part of the plant. And we know how a plant regulates the transition between the phases. Less clear is the question if roots have different life phases as well, and how a plant regulates that transition. Now a group of American researchers with help from researchers out the Netherlands and England found out.

In shoots and leaves micro RNAs (miRNAs) decide if seedling or adult genes are turned on. The juvenile miRNA miRNA156 represses the adult genes, while the mature miRNA172 represses the juvenile genes. And miRNA156 also repress miRNA172. But while a plant matures the amount of miRNA156 reduces , and slowly miRNA172 can turn on the adult genes. At least that is how the plants regulates the transition above ground.

To check if miRNA156 is also below ground promoting youth, the researchers studied roots of plants that make more miRNA156. They noticed that when there was more miRNA156, the roots were longer and more branched. In just germinated seedlings, with normal levels of miRNA156, miRNA156 was found in the whole root. But when the plant gets older, miRNA156 disappears from the root tip, where the growth centre of the root is located. Contrasting, in roots of plants with more miRNA156, miRNA156 stays longer in the root tip.

Also in roots represses miRNA156 the adult genes

To find out how this influences root growth and branching the researchers analysed the expression of growth region gene PLETHORA 2. This gene is needed to prevent specialisation of stem cells in the growth region. The researchers noticed that under normal circumstances the amount of PLETHORA2 is more or less constant, only around the third day after germination the amount of PLETHORA 2 temporally increases. This temporally increase of PLETHORA 2 allows the growth region to expand, and for thicker roots. This expansion, so observed the researchers, stops as soon as the levels of PLETHORA 2 return to their normal values.

But in presence of more miRNA156 the researchers observed that the amount of PLETHORA 2 is lower. Not only that, only round the fourth day after germinating the amount of PLETHORA 2 temporally increased, but to lower levels than it normally would. This not only affected the size of the growth region, but also the number of root branches.

Subsequently the researchers analysed if the increased number of root branches was a direct effect of reduced levels of PLETHORA 2. Plants with less PLETHORA 2 had more root branches that the control plants. In contrast plants with more PLETHORA 2 the researchers observed less root branches. Suggesting that the amount of PLETHORA 2 indeed influences the number of root branches.

Altogether, this suggests that also in roots miRNA156 is repressing adult genes, like PLETHORA 2. And can we in roots distinguish different life phases of a plant. As the plant matures it gets thicker roots, and less root branches. Ready for a new phase of its life.

Literature

Marta J. Laskowski, Helene C. Tiley, Yiling Fang, Anabel Epstein, Yuyang Fu, Roberto Ramos, Thomas J. Drummond, Renze Heidstra, Priyanka Bhakhri, Tobias I. Baskin, Ottoline Leyser (2022) The miR156 juvenility factor and PLETHORA 2 form a regulatory network and influence timing of meristem growth and lateral root emergence. Development 149 (21): dev199871. doi: https://doi.org/10.1242/dev.199871

Jeugdige wortels

Jeugdige wortels

Net als mensen gaan planten door verschillende levensfasen. Na het ontkiemen beginnen ze als zaailing en groeien vervolgens uit tot een volwassen plant die, wanneer de omstandigheden gunstig zijn, gaat bloeien en zaden vormt. Deze stadia zijn in het bovengrondse gedeelte van de plant goed te onderscheiden. En we weten hoe de plant de overgang tussen de fasen reguleert. Minder duidelijk was of wortels ook verschillende levensfasen hebben, en hoe de plant de overgang daarvan regelt. Een groep Amerikaanse onderzoekers met hulp van onderzoekers uit Nederland en Engeland zochten het uit.

Bovengronds bepalen micro RNAs (miRNAs) of er zaailing of volwassen genen aangaan. De jeugdige miRNA miRNA156 onderdrukt de volwassen genen, terwijl het volwassen miRNA172 de zaailing genen onderdrukt. miRNA156 onderdrukt ook miRNA172. Maar met het ouder worden verminderd de hoeveelheid miRNA156, en kan miRNA172 geleidelijk de volwassen genen aanzetten. Tot zover hoe het er boven de grond aan toe gaat.

Om te kijken of miRNA156 ook onder de grond de eeuwige jeugd bevorderd keken de onderzoekers naar de wortels van planten die meer miRNA156 aanmaken. Ze zagen dat wanneer er meer miRNA156 aanwezig was de wortels langer en meer vertakt waren. Normaal, in net ontkiemde zaailingen zit miRNA156 in de hele wortel, maar met het ouder worden verdwijnt miRNA156 uit de worteltip. Maar in wortels met meer miRNA156 zagen de onderzoekers dat miRNA156 langer in de worteltip bleef zitten.

Ook in wortels onderdrukt miRNA156 de volwassen genen

Om uit te zoeken hoe dit de groei en vertakkingen van de wortels beïnvloed bestudeerde de onderzoekers de expressie van de groeikern gen PLETHORA 2 in de worteltip. Dit gen is nodig om te voorkomen dat de stamcellen in de groeikern zich gaan specialiseren. Onder normale omstandigheden is de hoeveelheid PLETHORA 2 grotendeels constant, alleen rond de derde dag na ontkieming neemt de hoeveelheid even toe om daarna weer terug te keren naar de beginwaarden. Het tijdelijk toenemen van PLETHORA2 geeft de groeikern de kans om te groeien. En voor dikkere wortels. Dit uitdijen stopt op het moment dat de hoeveelheid PLETHORA 2 weer omlaag gaat.

Maar wanneer met meer miRNA156 is de hoeveelheid PLETHORA 2 lager. Ook gaat pas later, rond de vierde dag, hoeveelheid PLETHORA 2 omhoog, maar minder dan onder normale omstandigheden. En dit, zo zagen de onderzoekers, had niet alleen een effect op de grote van de groeikern, maar ook op de hoeveelheid wortelvertakkingen.

Vervolgens onderzochten de onderzoekers of de toename van de hoeveelheid wortel vertakkingen een direct gevolg was van een verminderde hoeveelheid PLETHORA 2. Planten met die PLETHORA 2 onderdrukte hadden meer vertakkingen dan de controle planten. Terwijl planten met meer PLETHORA 2 juist minder vertakkingen hadden. Dit suggereert dat de hoeveelheid PLETHORA 2 inderdaad het aantal wortel vertakkingen beïnvloed.

Uit dit alles blijkt dat ook in wortels onderdrukt miRNA156 de volwassen genen. En kunnen we verschillende levensfasen van de plant onderscheiden. Met het volwassen worden van de plant, krijgt deze dikkere wortels, en vormt minder vertakkingen. Klaar voor een nieuwe fase van z’n leven.

Literatuur

Marta J. Laskowski, Helene C. Tiley, Yiling Fang, Anabel Epstein, Yuyang Fu, Roberto Ramos, Thomas J. Drummond, Renze Heidstra, Priyanka Bhakhri, Tobias I. Baskin, Ottoline Leyser (2022) The miR156 juvenility factor and PLETHORA 2 form a regulatory network and influence timing of meristem growth and lateral root emergence. Development 149 (21): dev199871. doi: https://doi.org/10.1242/dev.199871