Hormonen en plantengroei
Nieuw onderzoek ontdekt hoe plantenhormonen, brassinosteroïden genaamd, genexpressie en plantengroei beïnvloeden
31 maart 2023
Hormonen spelen een belangrijke rol bij de ontwikkeling van planten. Wetenschappers weten al langer dat netwerken van genen de celontwikkeling sturen, maar het was moeilijk om de complexe relaties tussen hormonen, celidentiteit, en ontwikkelingsstadium te ontwarren. Onderzoekers uit het team van Eugenia Russinova (VIB-UGent Centrum voor Plantensysteembiologie), samen met internationale collega's van Philip Benfey's lab aan Duke University (VS), Iowa State University (VS), University of British Columbia (Canada) en Humboldt Universitat zu Berlin (Duitsland), hebben nu grote vooruitgang geboekt in het begrijpen van de relatie tussen plantenhormonen en genetische netwerken. Hun werk verschijnt in Science.
Brassinosteroïden veranderen genexpressie
Begrijpen hoe plantenhormonen genennetwerken in verschillende celtypen en in specifieke ontwikkelingsstadia reguleren, kan leiden tot verbeterde plantengroei in veranderende omgevingen. Hormonen zoals brassinosteroïden, auxine, gibberellines en abscisinezuur hebben unieke effecten op verschillende weefsels. Het is echter nog steeds onduidelijk hoe hormoon-geïnduceerde genennetwerken worden gecontroleerd in specifieke cellen en in verschillende ontwikkelingsstadia.
Dankzij nieuwe technologie zoals single-cell RNA sequencing en weefselspecifieke genmanipulatie, hebben onderzoekers van het team van Eugenia Russinova (VIB-UGent Center for Plant Systems Biology), samen met internationale collega's van Philip Benfey's lab aan Duke University (VS), Iowa State University (VS), University of British Columbia (Canada) en Humboldt Universitat zu Berlin (Duitsland) grote vooruitgang geboekt in het begrijpen van de relatie tussen plantenhormonen en genregulerende netwerken. Ze gebruikten de wortel van Arabidopsis als modelsysteem om de effecten van brassinosteroïden te bestuderen, een groep steroïdhormonen van planten die de celdeling en -groei tijdens de wortelgroei beïnvloeden.
Dr. Trevor Nolan (Duke University), mede-eerste auteur van de studie: "We ontdekten dat brassinosteroïden de genexpressie in de langwerpige cortex beïnvloeden, waardoor een verschuiving van celdeling naar verlenging wordt veroorzaakt die wordt geassocieerd met een toename in de expressie van celwand-gerelateerde genen. Met andere woorden, brassinosteroïden veranderen genexpressie, wat leidt tot een verlenging van wortelcellen."
Dr. Nemanja Vukašinović (VIB-UGent), co-eerste auteur van de studie: "We valideerden single-cell RNA sequencing bevindingen door het verlies van brassinosteroïde signalering in de cortex te induceren met behulp van weefselspecifieke CRISPR, wat leidde tot verminderde celverlenging."
Regulatoren zoeken
Door verandering doorheen de tijd op te volgen, konden de onderzoekers op-brassinosteroïden-reagerende genregulatienetwerken ontknopen, wat leidde tot de identificatie van de genen HAT7 en GTL1 als cruciaal voor de respons op brassinosteroïden in de langwerpige cortex. De wetenschappers analyseerden meer dan 210.000 transcriptomen, wat een gedetailleerd en hoog-resolutie beeld opleverde van de door brassinosteroïden gemedieerde genregulerende netwerken.
Prof. Jenny Russinova (VIB-UGent): "Deze bevindingen demonstreren de kracht van single-cell genomics bij het identificeren van specifieke regulatoren van plantengroei en -ontwikkeling. Door beter te begrijpen hoe genennetwerken worden gereguleerd in specifieke weefsels en in specifieke ontwikkelingsstadia, kunnen we in staat zijn om planten te ontwikkelen die effectiever reageren op veranderende omgevingen en stress."
Dit onderzoek vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in ons begrip van hoe hormonen de genexpressie tijdens de celontwikkeling regelen en kan belangrijke implicaties hebben voor de landbouw en andere onderzoeksgebieden.
De gegevens van deze studie zijn openbaar beschikbaar via een interactieve browser.
Publicatie
Brassinosteroid gene regulatory networks at cellular resolution in the Arabidopsis root. Nolan, Vukašinović, Hsu, et al. Science, 2023.
