Finding balance

Finding balance

Miraculous, when you start thinking about it. Each plant, from the tiniest tot the gigantic, grow from their growth regions. Small groups of cells with as main goal: slowly dividing and no specialisation. By each division these cells place their daughter cells outside their group. These then divide a few more times and slowly specialise. Into vascular tissue for example. Fascinating though is how the group of cells in the growth region stays the same.

Different genes have a role in this. And for the root growth region, the accumulation of the plant hormone auxin decides the place of the growth region through turning on the necessary genes. But the gene-on switches WOX5 and BRAVO decide which cells are part of the growth region. Through turning on the genes needed for division and keeping off those genes required for specialisation. When they can’t do their work properly, for example through a mutation, then the growth region cells divide more often. Then the size of the growth region changes.

Balance, while WOX5 and BRAVO control each other

Spanish researchers studied how WOX5 and BRAVO manage this. They did this using a computer simulation. These they compared with real life observations. Where these comparable, then the assumptions of the simulation were probably correct. With as result a model.

In the plant, the WOX5-gene is only on in the cells of the growth region. But the WOX5-protein can get into its neighbouring cells. One of the genes that is turned on via WOX5 is BRAVO. Therefore, the BRAVO-gene is also on in the neighbouring cells of the growth region. But in contrast to the WOX5-protein, the BRAVO-protein can’t get into its neighbouring cells. To prevent the WOX5-protein from wandering to far from the growth region, the BRAVO-protein is holding on to the WOX-protein every time they meet. In doing so BRAVO prevents expansion of the growth region.

However, if BRAVO is catching off all the WOX5-protein, then WOX5 can’t do its job of turning on genes. Therefore, WOX5 by itself is not turning BRAVO on, but it uses a messenger. Turning BRAVO on for WOX5. But BRAVO, in turn, is turning off the messenger. In this way WOX5 prevents shrinking of the growth region. An equilibrium establishes. Through WOX5 and BRAVO controlling each other, the number of cells in the growth region stays the same.

Literature

Josep Mercadal, Isabel Betegón-Putze, Nadja Bosch, Ana I. Caño-Delgado, Marta Ibañes (2022) BRAVO self-confined expression through WOX5 in the Arabidopsis root stem-cell niche. Development 149 (15): dev200510. doi: https://doi.org/10.1242/dev.200510

Het vinden van balans

Het vinden van balans

Wonderbaarlijk eigenlijk als je er over nadenkt. Elke plant, zowel minuscuul als reusachtig, groeien vanuit hun groeikernen. Kleine groepjes cellen met als kerntaak: langzaam delen en niet specialiseren. Bij iedere deling plaatsen deze cellen dochtercellen buiten de groep. Welke zich vervolgens een paar keer delen en langzaamaan specialiseren. Tot vaatbundels bijvoorbeeld. Fascinerend is hoe het groepje cellen in de groeikern gelijk blijft.

Verschillende genen hebben hier een rol in. Voor de wortelgroeikern bepaald ophoping van het hormoon auxine de plaats van de groeikern door de benodigde genen aan te zetten. De gen-aanzetters WOX5 en BRAVO bepalen welke cellen onderdeel zijn van de groeikern. Door de genen voor het delen aan te zetten en die voor specialisatie niet.  Doen ze hun werk niet goed door bijvoorbeeld een mutatie, dan delen de groeikerncellen vaker. Dan veranderd de de grote van de groeikern.

Balans, doordat WOX5 en BRAVO elkaar onder controle houden

Spaanse onderzoekers onderzochten hoe WOX5 en BRAVO dat doen. Hiervoor gebruikte ze computersimulaties. Deze vergeleken ze met observaties in het echt. Komen ze overeen, dan kloppen de voorwaarde van de simulatie waarschijnlijk ook. Met als resultaat een model.

In de plant staat WOX5-gen alleen aan in de groeikerncellen. Maar het WOX5-eiwit kan ook de buurcellen in. Een van de genen die via WOX5 aangaan is BRAVO. Het BRAVO-gen staat daarom ook in de buurcellen aan, in tegenstelling tot het WOX5-eiwit kan het BRAVO-eiwit z’n cel niet uit. Om te voorkomen dat het WOX5-eiwit te ver van de groeikern afdwaalt, houdt BRAVO-eiwit het WOX5-eiwit vast wanneer ze elkaar tegenkomen. Zo voorkomt BRAVO uitbreiding van de groeikern.

Maar als BRAVO al het WOX5-eiwit wegvangt dan kan WOX5 z’n werk, genen aanzetten, niet meer doen. Om deze reden, zet WOX5 dan ook niet zelf het BRAVO gen aan, maar doet dit via een intermediair. Deze zet BRAVO voor WOX5 aan. Maar BRAVO zet de intermediair ook weer uit. En voorkomt WOX5 het uitdoven van de groeikern. Er ontstaat een evenwicht. Doordat WOX5 en BRAVO elkaar onder controle houden blijft de grote van het groepje groeikerncellen gelijk.

Literatuur

Josep Mercadal, Isabel Betegón-Putze, Nadja Bosch, Ana I. Caño-Delgado, Marta Ibañes (2022) BRAVO self-confined expression through WOX5 in the Arabidopsis root stem-cell niche. Development 149 (15): dev200510. doi: https://doi.org/10.1242/dev.200510

Defying gravity

Defying gravity

Roots, for a plant how the grow is life shaping. Straight down, for groundwater uptake. Or maybe sideways, for phosphate uptake. To regulate this precisely is crucial. Plants use gravity for growing downwards. About this lots is already known. But growing sideways, against gravity, that is more of a mystery.

To find out how plants do this, researchers from the UK and Italy searched for a mutant in barley that didn’t do this. And successfully so. They found a plant whose roots grew more downwards than sideways. This mutant, it turned out, had a mutation in the gene EGT1.

EGT1 organises that the cells are sturdier

Only the roots of plants with a mutation in the EGT1 gene didn’t grow sideways. Above ground, the plant looked undistinguishable from plants without the mutation. Thus, EGT1 is only influencing the roots. And not only in barley, a mutation in a comparable gene in wheat has the same effect. Roots of the EGT1 wheat mutant where not growing sideways.

Subsequently the researchers wanted to know how EGT1 helps roots to overcome gravity. For this, the researchers looked at the genes disrupted in the EGT1 mutant. This, it turned out, were genes for producing parts of the cell wall. This disruption translated into less sturdy cell walls. With as consequence less support against gravity.

EGT1 organises that the cells are sturdier. In this way roots can defy gravity and grow sideways. We do not know exactly how EGT1 organises for sturdier cells. But knowing that EGT1 organises this brings opportunities, breeders can now actively select. For plants that grow deep roots. Or maybe for plants with more sideways growing roots. For a crop with the optimal root system for the soil it is growing in.

Literature

Fusi R., Rosignoli S., Lou H., Sangiorgi G., Bovina R., Pattem J.K., Borkar A.N., Lombardi M., Forestan C., Milner S.G., Davis J.L., Lale A., Kirschner G.K., Swarup R., Tassinari A., Pandey B.K., York L.M., Atkinson B.S., Sturrock C.J., Mooney S.J., Hochholdinger F., Tucker M.R., Himmelbach A., Stein N., Mascher M., Nagel K.A., De Gara L., Simmonds J., Uauy C., Tuberosa R., Lynch J.P., Yakubov G.E., Bennett M.J., Bhosale R., and Salvi S. (2022) Root angle is controlled by EGT1 in cereal crops employing an antigravitropic mechanism. PNAS 119 (31) e2201350119 https://doi.org/10.1073/pnas.2201350119

Zwaartekracht overwinnen

Zwaartekracht overwinnen

Wortels, hoe ze groeien is van levensbelang voor een plant. Loodrecht naar beneden, voor opname van grondwater. Of misschien toch maar opzij, om fosfaat op te nemen. Cruciaal dus om dit goed te reguleren. Om bewust naar beneden te kunnen groeien gebruiken planten de zwaartekracht. Hierover is al veel bekent. Maar over hoe zijwaarts te groeien, tegen de zwaartekracht in, niet.

Om uit te zoeken hoe planten dit doen, gingen onderzoekers uit Groot-Brittannië en Italië opzoek naar een mutant in gerst die dit niet doet. En met succes. Ze vonden een plant waarbij de wortels veel meer naar benden groeide dan opzij. Deze mutant, bleek een mutatie in het EGT1 gen te hebben.

EGT1 regelt dus dat de cellen steviger zijn

Alleen de wortels van planten met een mutatie in het EGT1 gen groeien niet opzij. Bovengronds ziet de plant er net zo uit als een plant zonder deze mutatie. EGT1 beïnvloed dus alleen de wortels. En niet alleen in gerst, een mutatie in het overeenkomende gen in tarwe had hetzelfde effect. Ook de wortels van de EGT1 tarwe mutant groeide minder opzij.

Vervolgens onderzochten de onderzoekers hoe EGT1 wortels helpt de zwaartekracht te tarten. Hiervoor keken ze naar welke genen ontregeld zijn in de EGT1 mutant. Dit bleken genen te zijn voor het maken van onderdelen van de celwand. Deze ontregeling vertaalde in minder stevige celwanden. Hierdoor hadden de wortels minder ondersteuning om de zwaartekracht te tarten.

EGT1 regelt dus dat de cellen steviger zijn. Zo kan de wortel de zwaartekracht de baas zijn, en zijwaarts groeien. Weten we nog niet helemaal hoe EGT1 stevigere cellen regelt. Maar het biedt kansen, kwekers kunnen nu gericht selecteren. Voor planten die diepere wortels groeien. Of juist op planten die meer zijwaartse wortels maken. Voor een gewas met de optimale wortels voor de grond waarin het groeit.

Literatuur

Fusi R., Rosignoli S., Lou H., Sangiorgi G., Bovina R., Pattem J.K., Borkar A.N., Lombardi M., Forestan C., Milner S.G., Davis J.L., Lale A., Kirschner G.K., Swarup R., Tassinari A., Pandey B.K., York L.M., Atkinson B.S., Sturrock C.J., Mooney S.J., Hochholdinger F., Tucker M.R., Himmelbach A., Stein N., Mascher M., Nagel K.A., De Gara L., Simmonds J., Uauy C., Tuberosa R., Lynch J.P., Yakubov G.E., Bennett M.J., Bhosale R., and Salvi S. (2022) Root angle is controlled by EGT1 in cereal crops employing an antigravitropic mechanism. PNAS 119 (31) e2201350119 https://doi.org/10.1073/pnas.2201350119