Compact soil protocol

Compact soil protocol

For good rooting a not to close packed soil is a must for plants. When the ground is to compact it costs the roots more effort to find a way through. In agriculture, this is increasingly a problem. Here, intensive use of the ground results in compact soils. More difficult to access for the plant. Resulting in a lower yield. Long was thought that this was just a consequence of more resistance. But it turns out, this is not the whole story.

To find out the compactness of the soil a plant uses the volatile hormone ethylene. The roots release ethylene. Ethylene, as a gas, evaporates through all possible holes, trying to find a way up. Is this impossible, because there are hardly any holes, then ethylene stays near the roots. Then, it is noticed by the ethylene receptor, turning on the compact soil protocol.

Long it was unclear how exactly the compact soil protocol works. Only its output, a slower root growth and thicker roots, was known. Now British researchers uncovered in rice how the compact soil protocol works. The researchers observed higher amounts of the plant hormone ABA, in roots growing in compact soil. This, noticed the researchers, was the cause for the swollen roots. Unexpectedly, the thinner roots of a mutant that does not make any ABA were growing with ease through compact soils.

Through slowing down growth and increasing root thickness, the compact soil protocol makes it difficult to grow through compact ground

Another well known plant hormone to influence root growth is auxin. Ethylene, it turned out, was also influencing this hormone. Roots growing in compact soils had more auxin, but not those of a mutant without ethylene production. In compact soil increases ethylene the production of auxin.

One of auxin jobs is preventing cells stretching out too soon. Nearby the root growth region, auxin levels are high, but the further away the cell gets, the lower the auxin levels. Eventually, when far enough from the growth region, auxin levels are low enough that the cell is permitted to stretch. Ethylene, through promoting auxin production, is preventing cells from stretching out for even longer. So, slowing down the growth. Just like mutants without ABA, mutants that don’t make any auxin are growing more easily through compact soil.

The compact soil protocol is actively causing slower root growth. Through slowing down growth and increasing root thickness. In mutants were this didn’t occur the resistance of compacter soil was not enough to slow down the growth. Begs the question: Do we still need a compact soil protocol? Or could we start with breeding crops that cleave through the ground with ease?

Literature

Guoqiang Huang, Azad Kilic, Michal Karady, Jiao Zhang, Poonam Mehra, Xiaoyun Song, Craig J. Sturrock, Wanwan Zhu, Hua Qin, Sjon Hartman, Hannah M. Schneider, Rahul Bhosale, Ian C. Dodd, Robert E. Sharp, Rongfeng Huang, Sacha J. Mooney, Wanqi Liang, Malcolm J. Bennett, Dabing Zhang, Bipin K. Pandey (2022) Ethylene inhibits rice root elongation in compacted soil via ABA- and auxin-mediated mechanisms. PNAS, 119 (30) e2201072119, https://doi.org/10.1073/pnas.2201072119

Compacte aarde protocol

Compacte aarde protocol

Om goed te kunnen aarden is een niet te dicht opeengepakte aarde een must voor planten. Is de grond te compact dan hebben wortels meer moeite om een weg er doorheen te vinden. In toe nemende mate is dit een probleem in de landbouw. Waar intensief gebruik van de grond de aarde samenpakt. Moeilijker toegankelijker voor de plant. Met een lagere opbrengst als gevolg. Lang dacht men dat het moeilijker doorgronden van compacte grond een gevolg was van te veel weerstand. Maar dit is niet het hele verhaal.

Om na te gaan hoe opeengepakt de aarde is gebruikt de plant het vluchtige hormoon ethyleen. De wortels stoten ethyleen uit. Dat, omdat het een gas is, al snel vervliegt via alle mogelijke gaatjes, een weg banend naar boven. Lukt dit niet, omdat er nauwelijks gaatjes zijn in de opeengepakte aarde, dan blijft ethyleen dicht bij de wortels. Dan pikt de ethyleen receptor dit op en zet het protocol compacte aarde in werking.

Hoe het compacte aarde protocol precies werkt was lang onduidelijk. Alleen de uitkomst, langzamere wortelgroei en dikkere wortels, was bekend. Britse onderzoekers hebben nu ontrafeld hoe het compacte aarde protocol werkt in rijst. In wortels groeiend in opeengepakte aarde maten de onderzoekers een hogere hoeveelheid van het hormoon ABA. Dit zo zagen de onderzoekers zorgde voor opgezwollen wortels. Verassend genoeg bleken de dunne wortels van mutanten die geen ABA maakte makkelijkere door compacte grond te groeien.

Door de groei af te remmen, en de wortels te verdikken maakt het compacte aarde protocol het doorgronden van compacte grond moeilijker

Een ander bekend hormoon dat wortelgroei beïnvloed is auxine. Ook op dit hormoon bleek ethyleen invloed te hebben. In wortels groeiend in opeengepakte aarde bleken meer auxine te zijn. Maar niet in die van een mutant die geen ethyleen maakt. In compacte aarde verhoogd ethyleen de productie van auxine.

Een van de taken van auxine is het tegenhouden van het uitstrekken van wortelcellen. Dicht bij de groeikern is de auxine concentratie hoog, maar hoe verder van de groeikern hoe lager de auxine concentratie. Auxine houdt het uitstrekken tegen. Pas wanneer de cellen vergenoeg van de groeikern zijn, en de auxine concentratie heel laag is lukt dit niet meer. Ethyleen, door meer auxine te laten produceren houdt uitstrekken van de cellen langer tegen. Het vertraagt de groei. Net als de ABA-mutanten bleken ook mutanten die geen auxine kunnen produceren bleken makkelijker door compacte grond te groeien.

Het compacte aarde protocol zorgt er dus actief voor dat de wortels langzamer groeien. Door de groei af te remmen, en de wortels te verdikken. Dit maakt het doorgronde van compacte aarde moeilijker. In mutanten waarin dit niet gebeurde was de weerstand van opeengepakte aarde niet genoeg om de groei af te remmen. Is het compacte aarde protocol dan wel nodig? Of kunnen we beginnen met het kweken van gewassen die de aarde makkelijker doorgronden? Dat is nu de vraag.

Literatuur

Guoqiang Huang, Azad Kilic, Michal Karady, Jiao Zhang, Poonam Mehra, Xiaoyun Song, Craig J. Sturrock, Wanwan Zhu, Hua Qin, Sjon Hartman, Hannah M. Schneider, Rahul Bhosale, Ian C. Dodd, Robert E. Sharp, Rongfeng Huang, Sacha J. Mooney, Wanqi Liang, Malcolm J. Bennett, Dabing Zhang, Bipin K. Pandey (2022) Ethylene inhibits rice root elongation in compacted soil via ABA- and auxin-mediated mechanisms. PNAS, 119 (30) e2201072119, https://doi.org/10.1073/pnas.2201072119

Fruit development

Fruit development

Strawberries, apples, pears, bananas, but also cucumbers, tomatoes, peppers, and pumpkins, are all fruits. All protecting their seeds and distributing them. Because we, and animals are picking them, taking, and eating them. There are also countless seedless fruits. Bred specially for us. But we actually don’t know how this is possible.

The development of seed and fruit all starts at the moment of fertilization. In contrast to the single fertilization that takes place by people and the animals around us, flowering plants have a double fertilization. The first fertilisation is the well-known union of egg and the sperm cells, resulting in a developing embryo.

The second fertilization is the union of a second sperm cell with the two nuclei of the central cell, resulting in the development of the endosperm. Of the endosperm it was long thought that it purely functions as a nutrient reserve for the future seed. But recent research indicates it also has a role in the coordination of embryo, seed coat and fruit development. Afterall, it is useful if this all occurs more or less synchronized.

Not the seed production, but endosperm development is essential for our fruits

American researchers studied in strawberries how the endosperm initiates fruit development. They analysed why a mutant did not develop any fruit, even though it was double fertilised. Firstly, they compared the genes that were turned on or off in the mutant strawberry plants with those in normal strawberry plants. It turned out that in the mutant the genes for the production of the plant hormones auxin and gibberellic acid were turned off. Auxin or gibberellic acid application to the mutant strawberry could indeed start off fruit production.

The auxin needed, so notice the researchers subsequently, was not produces by the embryo but by the endosperm. Directly after fertilization, auxin production by the endosperm starts. The produced auxin in turn stimulates fruit development. When the auxin production does not start, fruit will not form. This did not only was the case for strawberries, but also in the model plant Arabidopsis, (tale cress), and probably also for other flowering plants.

Not the seed production, but endosperm development is essential for our fruits. This not only explains why the mutants hardly developed any fruit, but it can also explain how seedless fruits are possible. It is after all entirely possible to have a mutation that starts the production of auxin and gibberellic acid without fertilization.

Literature

Guo L., Luo X., Li M., Joldersma D., Plunkert M., Liu Z. (2022) Mechanism of fertilization-induced auxin synthesis in the endosperm for seed and fruit development. Nature Communications 13, 3985  https://doi.org/10.1038/s41467-022-31656-y

Vrucht ontwikkeling

Vrucht ontwikkeling

Aardbeien, appels, peren, bananen, maar ook komkommers, tomaten, paprika, en pompoenen, alle vruchten. Allemaal beschermen ze de zaden van de plant. Verspreiden deze. Omdat wij en andere dieren ze plukken, meenemen, opeten. Ook zijn er talloze zaadloze vruchten. Speciaal voor ons gekweekt. Maar we weten eigenlijk niet echt hoe dit mogelijk is.

De ontwikkeling van zaden en vruchten begint allemaal bij de bevruchting. In tegenstelling tot de enkele bevruchting die plaatsvindt bij ons mensen en de dieren om ons heen, hebben bloeiende planten een dubbele bevruchting. De eerste bevruchting is het bekende samensmelten van ei- en spermacellen, wat resulteert in de ontwikkeling van een embryo.

De tweede bevruchting is de versmelting van een tweede spermacel met de twee kernen van de centrale cel, dit resulteert in de ontwikkeling van het endosperm. Van het endosperm is lang gedacht dat het puur als reservevoedsel voor het toekomstige zaadje dient. Maar recente onderzoeken wijzen erop dat het ook een taak heeft in het coördineren van embryo, zaadhuid en vruchtvlees ontwikkeling. Het is namelijk wel zo handig als dit allemaal een beetje synchroon loopt.

Niet zaadproductie, maar endosperm ontwikkeling is essentieel voor vruchtvlees ontwikkeling

Amerikaanse onderzoekers onderzochten hoe het endosperm de ontwikkeling van fruit in gang zet, in aardbeien. Ze bestudeerde mutanten die ondanks de dubbele bevruchting nauwelijks vruchtvlees maakte. Eerst vergeleken de onderzoekers de genen die aan en uitstonden in de mutant aardbei met die in een gewone aardbei. Wat ze ontdekte; de genen voor de productie van de plantenhormonen auxine en gibberellinezuur stonden uit. Het toedienen van auxine en gibberellinezuur aan de mutant aardbei zorgde allebei dan ook dat de vruchtvlees productie op gang kwam.

Auxine, zo zagen de onderzoekers vervolgens, kwam niet van de embryo, maar van het endosperm. Gelijk na de bevruchting komt auxine productie in het endosperm op gang. Vervolgens stimuleert auxine vruchtvlees productie. Komt de auxine productie niet op gang, dan is er geen vrucht. Dit bleek niet alleen in aardbei zo te zijn maar ook in de model plant Arabidopsis (zand raket), en waarschijnlijk ook voor andere bloeiende planten.

Niet zaadproductie, maar endosperm ontwikkeling is essentieel voor vruchtvlees ontwikkeling. Dit verklaart niet alleen hoe de mutanten nauwelijks vruchtvlees maakten, maar kan ook verklaren hoe zaadloze vruchten mogelijk zijn. Er kan tenslotte ook een mutatie plaatsvinden die auxine en gibberellinezuur productie opgang brengt zonder dat er een bevruchting was.

Literatuur

Guo L., Luo X., Li M., Joldersma D., Plunkert M., Liu Z. (2022) Mechanism of fertilization-induced auxin synthesis in the endosperm for seed and fruit development. Nature Communications 13, 3985  https://doi.org/10.1038/s41467-022-31656-y