Milan, Italy and Wageningen, the Netherlands
March 27, 2023
An international research team, led by the University of Milan, has identified a gene in rice that, when blocked, boosts the number of inflorescence branches and flowers. In the study, research company KeyGene identified three plants, each having a small mutation in the gene, allowing for the study of the gene’s role in flowering. Follow-up research is aimed at using variations in the gene for innovations in plant breeding in rice and other cereals as more flowers can potentially lead to a higher grain yield. The findings are published in Nature Plants today.
Florigens
Just over a century ago, two American researchers, Garner and Allard, while studying the flowering time of tobacco and other cultivated species, understood that plants have a sophisticated system to measure the relative length of day and night, discovering a sophisticated system of seasonal time measurement. With this mechanism, plants can align growth and development with the seasons and start flowering (and therefore reproduction) at the most useful moment for the propagation of the species. In 1936, a Russian scientist, Mikhail Chailakhyan, demonstrated the existence of a mobile signal produced in the leaves during the part of the season that is favourable for flowering, and able to move along the veins to reach the shoot. Here, the mobile signal served as a trigger for flower production. Chailakhyan, coined the term florigen (flower generator) to describe this signal.
It took another 70 years to discover the molecular nature of the elusive mobile signal. In 2007, a study demonstrated that florigens are small proteins that function as regulators of gene expression, turning genes on or off. Once they reach the top of the shoot, the apex, the proteins switch on the genes needed to form flowers.
Non-classical florigen
From the discovery of the molecular nature of the florigen, it has been observed that many plant species produce them in the leaves. However, a novel study published in Nature Plants shows that rice, a model system for studying cereals, has a peculiar florigen that violates some of the characteristics defined by over 100 years of studies. The research group led by scientists at the University of Milan demonstrated the existence of a florigen produced directly in the shoot apical meristem, the region of the plant containing stem cells and responsible for the formation of the inflorescence. Therefore this new florigen is not produced in the leaves and is not transmitted over long distances in the plant. Furthermore, its contribution to flowering time is marginal. Its main function is to define the number of branches of the inflorescence.
Picture of the 3D structure of the protein that is coded by the gene that boosts the number of rice flowers when the gene is blocked. KeyGene identified three rice plants with three different mutations that lead to changes in the protein, indicated in the picture.
Induced desired variation
The research team was supported by KeyGene scientists who raised and identified three rice plants having different chemically induced mutations in the studied gene. Using the offspring of these plants, the team was able to demonstrate that blocking the gene in the plant causes a significant increase in the number of inflorescence branches, leading to an increase in the number of flowers.
This change in plant development is particularly important for plant breeding, as a greater number of flowers can lead to a greater number of seeds and therefore to increased yields. Furthermore, the discovered mechanism proves to be conserved in other cereals than rice, where it may be exploited to improve production too. Efforts are now aimed at converting this basic discovery into an effective tool for the improvement of rice and other crops.
Researchers from three Departments of the University of Milan participated in the study as well as international collaborators from Japan, China, the United States, Germany, and the Netherlands. A decisive contribution also came from the seed company Lugano Leonardo (Italy). This collaboration has made it possible to carry out experiments under field conditions.
Reference
Giaume et al. Two florigens and a florigen-like protein form a triple regulatory module at the shoot apical meristem to promote reproductive transitions in rice. Nature Plants, https://www.nature.com/articles/s41477-023-01383-3
Rijst-gen gevonden dat het aantal bloemen verhoogt wanneer het gen wordt uitgeschakeld
Een internationaal onderzoeksteam, geleid door de Universiteit van Milaan, heeft in rijst een gen geïdentificeerd dat, als het wordt uitgeschakeld, het aantal bloemen verhoogt. Voor het onderzoek identificeerde het Nederlandse onderzoeksbedrijf KeyGene drie rijstplanten, elk met een unieke mutatie in het gen. Daarmee kon de rol van het gen in de bloei worden bestudeerd. Vervolgonderzoek is erop gericht variaties in het gen te gebruiken voor innovaties in de plantenveredeling in rijst en andere granen, aangezien meer bloemen mogelijk kunnen leiden tot een hogere graanopbrengst. De bevindingen worden vandaag gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Plants.
‘Florigens’
Iets meer dan een eeuw geleden ontdekten onderzoekers dat planten een geavanceerd systeem hebben om de relatieve lengte van dag en nacht te meten en daarmee de verschillende seizoenen kunnen waarnemen. Met dit mechanisme kunnen planten groei en ontwikkeling afstemmen op de seizoenen en op het meest geschikte moment beginnen met de bloei en dus met de voortplanting van de soort.
In 1936 toonde een Russische wetenschapper, Mikhail Chailakhyan, het bestaan aan van een ‘mobiel signaal’: iets dat in de bladeren wordt geproduceerd en dat zich door de nerven door de plant kan verplaatsen, om zo de groeipunt van de plant te bereiken. Het ‘mobiele signaal’ is daar de trigger voor de vorming van bloemen. Chailakhyan, bedacht de term florigen (bloemgenerator) voor dat ‘mobiele signaal’.
Het duurde nog eens 70 jaar voordat ontdekt werd wat dat mobiele signaal precies was. In 2007 toonde een studie aan dat de florigens kleine eiwitten zijn. Deze eiwitjes functioneren als regelaars van genexpressie: het aan en uit zetten van genen. Zodra deze florigen eiwitjes de top van de plant bereiken, schakelen ze daar de genen aan die nodig zijn voor het vormen van bloemen.
KeyGene vond drie rijstplanten met elk een kleine verandering in het gen dat codeert voor het regel-eiwitje. Deze leiden elk tot een verandering in de aminozuurvolgorde van het eiwit dat de onderzoekers wilden bestuderen.
Afwijkend florigen
Nadat ontdekt was dat de ‘florigens’ kleine regel-eiwitten zijn bleek al snel dat heel veel plantensoorten dit soort regel-eiwitten in de bladeren produceren en naar hun groeipunt te transporteren.
De studie die nu gepubliceerd is in Nature Plants toont echter aan dat rijst een eigenaardig florigen heeft dat heel anders werkt. De onderzoekers tonen aan dat dit florigen niet in de bladeren, maar juist in de groeipunt van de plant wordt gevormd. Die groeipunt bevat de stamcellen die uit kunnen groeien tot bladeren, maar ook tot een bloeiwijze. Dit afwijkende florigen hoeft dus niet door de hele plant getransporteerd te worden. De belangrijkste functie van dit afwijkende florigen is de invloe op het aantal zijtakken in de bloeiwijze (de pluim) van rijst.
Geïnduceerde gewenste variatie
Het onderzoeksteam werd ondersteund door KeyGene-wetenschappers die drie rijstplanten identificeerden met drie verschillende kleine veranderingen in het gen dat codeert voor het signaal-eiwitje. Die veranderingen, ook wel mutaties genoemd, zorgen voor drie verschillende veranderingen in de aminozuurvolgorde van het regeleiwit. Met behulp van onder andere de nakomelingen van deze planten kon het team aantonen dat het blokkeren van het gen zorgt voor een aanzienlijke toename van het aantal zijtaken in de pluim veroorzaakt, en daarmee voor een toename van het aantal bloemen in de rijstplant.
Deze verandering in plantontwikkeling is vooral belangrijk voor de plantenveredeling, omdat een groter aantal bloemen kan leiden tot een groter aantal zaden en daarmee dus een hogere graanopbrengst. Bovendien blijken ook andere graansoorten dan rijst dit eiwitje te maken. Het vervolgonderzoek is er dan ook op gericht om de nieuwe kennis te gebruiken voor de ontwikkeling van innovaties die de opbrengst van rijst en andere gewassen kan verhogen.
Aan dit onderzoek namen drie afdelingen van de Universiteit van Milaan deel, plus onderzoekers uit Japan, China, de Verenigde Staten, Duitsland en Nederland. Een belangrijke bijdrage kwam ook van het zaadbedrijf Lugano Leonardo uit Italië, die het mogelijk maakte om ook onder veldomstandigheden onderzoek te doen.
De publicatie:
Giaume et al. Two florigens and a florigen-like protein form a triple regulatory module at the shoot apical meristem to promote reproductive transitions in rice. Nature Plants,
https://www.nature.com/articles/s41477-023-01383-3
Topics
Species
