How to do both

How to do both

Sometimes there are things by which you think; how? So are there for example gen-on switches in plants that turns on a gene when there are only few of them but turn off the same gene when they are with many. Contradictory you would say. The logical expectation would be that the more gen-on switchers there are the more, let’s say the brighter, the gen is turned on. One of these contradictory gene-on switches is WUS, and researchers have long wondered how WUS is managing this.

WUS works in the growth region of the stem. And is needed to keep the cells of the growth region from specializing. Only in this way can the growth region keeps delivering new cells for leave and stem growth. To prevent WUS doing its job to enthusiastically CLV3 is reducing the amount of WUS. WUS in turn is turn works to increase the amount of CLV3. In this way they keep each other, and the growth region in balance.

The amount of CLV3 is not only dependent on the amount of WUS, but also on the CLV3-gene activation-regions

But in large amounts WUS is actually turning off the CLV3-gene. American researchers now found out how WUS does this, this stimulating as well as slowing down CLV3 production. The key was in the DNA, in the so-called activation-regions that are laying in front of the CLV3-gene. CLV3 has five of those. When WUS binds one of these activation-regions then it is turning on the CLV3-gene. Binds a second WUS to the first WUS, then it the CLV3-gene is turned off again.

WUS, the researchers noted, does not bind for long. At low concentrations, a second WUS does not get a chance to bind to the first WUS, as it has left the activation-region already. Only when there is a large amount of WUS, then a second WUS can bind to the first. Only then WUS turns off the CLV3-gene.

This was not the whole story, the researchers discovered also that more WUS is needed to turn of the CLV3-gene when the activation-regions of the CLV3-gene are laying further apart. The activation-regions were working together. Therefore, the amount of CLV3 is not only dependent on the amount of WUS, but also on the CLV3-gene activation-regions. How many there are, how far apart they lay and how long the bind WUS. They all regulate the amount CLV3 available to keep WUS under control, and in turn the size of the growth region.

Literature

Kevin Rodriguez, Albert Do, Betul Senay-Aras, Mariano Perales, Mark Alber, Weitao Chen, G. Venugopala Reddy (2022) Concentration-dependent transcriptional switching through a collective action of cis-elements. Science Advances 8, eabo6157 DOI: 10.1126/sciadv.abo6157

Hoe beide te doen

Hoe beide te doen

Soms zijn er van die dingen waarbij je denkt; maar hoe dan? Zo zijn er bijvoorbeeld in planten gen-aanzetters die een gen aanzetten als er weinig van zijn maar het gen uitzetten zodra ze met ze vele zijn. Tegenstrijdig. De logische verwachting is eigenlijk dat hoe meer gen-aanzetter hoe meer, zeg maar feller, het gen aan gaat. Een van die tegenstrijdige gen-aanzetters is WUS, en onderzoekers hebben zich al lang afgevraagd hoe WUS dat dan doet.

WUS is werkzaam in de groeikern van de stengel. En is nodig om de groeikern cellen te behoeden tegen specialisatie. Alleen zo kunnen de groeikern cellen nieuwe cellen voor blad en stengel groei blijven afleveren. Om te voorkomen dat WUS te enthousiast te werk gaat remt CLV3 de hoeveelheid WUS af. WUS op zijn beurt zorgt ervoor dat de hoeveelheid CLV3 toe neemt. Zo houden ze elkaar en de groeikern in evenwicht.

De hoeveelheid CLV3 is afhankelijk van de hoeveelheid WUS maar ook van de CLV3-gen activatie-regio’s

Maar in hoge hoeveelheden zorgt WUS ervoor dat de cel juist minder CLV3 maakt. Amerikaanse onderzoekers hebben nu uitgezocht hoe WUS dat voor elkaar krijgt, zowel stimuleren als afremmen van CLV3 productie. De sleutel lag in het DNA, bij de zogenoemde activatie-regio’s voor het CLV3-gen. CLV3 heeft er vijf. Bindt WUS een van deze activatie-regio’s, dan zet het CLV3-gen aan. Bindt er een tweede WUS de eerste, dan gaat het CLV3-gen weer uit.

Maar, zo ontdekte de onderzoekers, WUS blijft niet lang zitten. Bij lage concentraties krijgt een tweede WUS geen kans om aan een eerste WUS te binden. Alleen bij grote hoeveelheden WUS bindt een tweede WUS aan een eerste WUS. Alleen dan zet WUS het CLV3-gen uit.

Dit was niet het hele verhaal, de onderzoekers ontdekte ook dat wanneer de activatie-regio’s van het CLV3-gen verder van elkaar vandaan lagen er meer WUS nodig was om het CLV3-gen uit te zetten. De activatie-regio’s werken samen. De hoeveelheid CLV3 is afhankelijk van de hoeveelheid WUS maar ook van de CLV3-gen activatie-regio’s. Hoeveel het er zijn, hoe dichtbij elkaar ze liggen, en hoe lang ze WUS vasthouden. Allemaal bepalen ze hoeveel CLV3 er is om WUS onder controle te houden, en dus hoe groot de groeikern mag zijn.

Literatuur

Kevin Rodriguez, Albert Do, Betul Senay-Aras, Mariano Perales, Mark Alber, Weitao Chen, G. Venugopala Reddy (2022) Concentration-dependent transcriptional switching through a collective action of cis-elements. Science Advances 8, eabo6157 DOI: 10.1126/sciadv.abo6157

Fast Breeding

Fast Breeding

Crops that can survive the heat, and drought. That are nutritious, but also resistant against pests and diseases. A whole list of wishes. Preferably ready by today, and if that is not possible then by tomorrow, but no later. Hooked as we are to the quick fulfilment of our desires and wishes. Forgetting that not all wishes could be fulfilled by a click with the mouse. It takes for example about 10 years to breed a new crop. And by then we can only hope that our demands did not grow even bigger.

Breeding a new crop is a game of patience. Firstly, the breeder needs to find plants that has some of the desired traits. Only then can the breeding start. With crossing of two plants with the wished-for traits. For example, a wheat plant that is resistant to a fungus with one that has a high yield.

Then the waiting starts, selecting and more waiting. Only after about seven to eight generations after the first crossing are the new traits strongly secured. They are tested in the field, and the breeder can be sure that the new crop has no surprises left for him. By then a year of 8 to 10 has gone. Each generation is a breeding season, 4-6 months. Which slows everything down.

The discovery of speed breeding gives hope for the future, with the potential of developing new crops within four years

Up till now researchers, breeders and growers always breed plants using natural conditions, or by copying them. But recently researchers found out that the generation time can be shorted by deviating from the natural conditions. By giving plants, that did not need any winter, 22 hour days. This shorted the time from seed to seed. Enabling growing 6 generations in a year, compared to the 2 to 3 generations previously.

But some plants need a winter before they flower. Now Korean, Australian, and British researchers found out how they can also shorten winter. By germinating and growing wheat and barley at 8 °C and giving them days of 22 hours, they reduced winter to 4 weeks. Allowing in a year to grow 3 to 5 generations of winter wheat or barley. Previously this was less than 2 generations a year. Making breeding crops a lot faster.

The discovery of speed breeding gives hope for the future, with the potential of developing new crops within four years. Although the breeder would still test its crop in the field, if only to check the new plant has any surprises left for us. But with speed breeding the chance that the new crop still meets our demands is bigger at least.

Literature

Cha J.-K., O’Connor K., Alahmad S., Lee J.-H., Dinglasan E., Park H., Lee S.-M., Hirsz D., Kwon S.-W., Kwon Y., Kim K.-M., Ko J.-M., Hickey L.T., Shin D., and Dixon L.E. (2022). Speed vernalization to accelerate generation advance in winter cereal crops. Mol. Plant. 15, 1300–1309. https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.06.012.

Watson, A., Ghosh, S., Williams, M.J., Cuddy, W.S., Simmonds, J., Rey, M.D., Asyraf Md Hatta, M., Hinchliffe, A., Steed, A., Reynolds, D., et al. (2018). Speed breeding is a powerful tool to accelerate crop research and breeding. Nat. Plants 4:23–29. https://doi.org/10.1038/s41477-017-0083-8.

Snelle veredeling

Snelle veredeling

Gewassen die tegen hitte kunnen, en droogte. Voedzaam zijn, maar ook resistent tegen ziekte en plagen zijn. Een hele waslijst aan wensen hebben we. Het liefst hebben we ze vandaag al beschikbaar, of als dat niet kan dan morgen. Verslingerd als we zijn geraakt aan de snelle inwilliging van onze wensen en verlangens. Vergeten we dat niet alle wensen met een klik van de muis ingewilligd worden. Zo duurt het een jaar of 10 voordat er een nieuw planten-ras is. En het is te hopen dat onze eisen tegen die tijd niet nog strenger zijn.

Geduld is nodig voor het kweken van een nieuw gewas. Eerst moeten veredelaars gewassen vinden met sommige van de gewenste eigenschappen. Hebben ze die gevonden, dan kunnen ze aan de slag. Met het kruizen van twee planten met de gewenste eigenschappen. Bijvoorbeeld een tarwe plant die resistent is tegen schimmel met een die een hoge opbrengst heeft.

Dan begint het wachten, het selecteren, en nog wat meer wachten. Zo’n zeven à acht generaties in na de eerste kruising zijn de nieuwe eigenschappen stevig verankerd. Zijn ze getest in het veld en kan de veredelaar er zeker van zijn dat het nieuwe gewas geen verassingen meer voor hem heeft. En zijn we een jaar of 8 tot 10 verder. Een generatie duurt een groeiseizoen, 4-6 maanden. Een behoorlijke bottleneck.

Deze snelle veredeling geeft de hoop dat in de toekomst nieuwe gewassen er binnen de vier jaar kunnen zijn

Tot nu toe hebben onderzoekers, veredelaars en kwekers altijd planten gekweekt in natuurlijke condities, of door deze na te bootsen. Maar recent hebben onderzoekers ontdekt, dat door hiervan af te wijken ze de generatietijd flink kunnen verkorten. Door de planten, die geen winter nodig hebben, dagen van 22 uur te geven. Dit maakt het mogelijk om 6 generaties in een jaar te hebben in plaats van de gebruikelijke 2 tot 3 generaties.

Maar sommige planten hebben een winter nodig om te kunnen bloeien. Nu hebben Koreaanse, Australische en Britse onderzoekers ontdekt dat ze ook de winter kunnen verkorten. Door tarwe en gerst te laten ontkiemen en groeien bij 8 °C en dagen van 22 uur. Dit verkorte de winter naar 4 weken. En zorgde ervoor dat er 3 tot 5 generaties in een jaar konden groeien, in plaats van de bijna 2 generaties. Een stuk sneller.

Deze snelle veredeling geeft de hoop dat in de toekomst nieuwe gewassen er binnen de vier jaar kunnen zijn. Al zullen altijd testen in het veld nodig zijn, al is het alleen maar om te checken of de plant geen verassingen heeft wanneer het groeit onder normale condities. De kans dat het nieuwe gewas nog steeds aan onze wensen voldoet is met de kortere generatie tijd in ieder geval groter.

Literatuur

Cha J.-K., O’Connor K., Alahmad S., Lee J.-H., Dinglasan E., Park H., Lee S.-M., Hirsz D., Kwon S.-W., Kwon Y., Kim K.-M., Ko J.-M., Hickey L.T., Shin D., and Dixon L.E. (2022). Speed vernalization to accelerate generation advance in winter cereal crops. Mol. Plant. 15, 1300–1309. https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.06.012.

Watson, A., Ghosh, S., Williams, M.J., Cuddy, W.S., Simmonds, J., Rey, M.D., Asyraf Md Hatta, M., Hinchliffe, A., Steed, A., Reynolds, D., et al. (2018). Speed breeding is a powerful tool to accelerate crop research and breeding. Nat. Plants 4:23–29. https://doi.org/10.1038/s41477-017-0083-8.