Wageningen, The Netherlands
October 21, 2024
Plants that are close together do everything they can to intercept light. This 'shade avoidance' response has been extensively researched. It is therefore even more remarkable that researchers from the laboratory of Molecular Biology have discovered another entirely new mechanism: the important role of the hormone cytokinin. Their research has been published in the renowned scientific journal Nature Communications.
Plants in nature, in the field or in the greenhouse compete with each other for light, moisture and nutrients. The more densely planted they are, the tougher the competition. But how do they know they are getting a bit crowded? “In densely planted crops, red light is absorbed faster than far-red light, which is instead reflected. The red-to-far-red ratio therefore decreases with greater density. Plants 'see' this through the light-sensitive pigment phytochrome,” says Ronald Pierik, professor of molecular biology at Wageningen University & Research.
The pigment is like a switch: it can be active or inactive. The red-to-far-red ratio operates the button, so to speak. And that sets off a whole series of responses. Pierik: “With relatively high levels of far-red light, as is the case in densely planted crops, the stems grow longer, as do the petioles. The leaves themselves move from a horizontal to a more vertical position. Anything to rise above their neighbours and intercept more light.”
The plant on the left is under standard growth light, while the plant on the right exhibits shade avoidance responses to shaded light. Photo by Mieke de Wit.
Aboveground and underground competition
Much is already known about this response and the mechanisms that drive it. “How plants process information relating to light is important for our crops. Because we always plant them close together. The question is how far you can go,” says Pierik.
However, plants not only compete for light but also for nutrients, for example. “You should therefore consider shade avoidance in conjunction with other responses to competition. You would then get much closer to the situation in the field. This line of thinking led our postdoctoral researcher Pierre Gautrat, who started this work in our former group at Utrecht University, to the idea of examining aboveground and belowground competition in conjunction. One of the research questions was whether the plant, if it does not receive much nutrition in the form of nitrogen, can still respond well to far-red light,” he says.
- Unfortunately, your cookie settings do not allow videos to be displayed. - check your settings
The leaves of bean plants are constantly in motion, helping them to optimally position themselves for light capture. Leaf movements also help the model plant Arabidopsis to outgrow its competitors. Video credit: Ronald Pierik and Christa Testerink: https://plantmoves.nl
Messenger
For this, the growing tissues need to know how much nitrogen is available in the soil. They know that because a message passes from the roots to the growth points. In this case, the messenger is the plant hormone cytokinin. This hormone is formed in the roots and passes through the veins to the part of the plant that is above ground. If there lots of nitrogen is present, there will also be lots of cytokinin.
“In fact, the shade avoidance response appears to be inhibited when nitrogen is low. However, we have demonstrated that you can actually trick the plant. If you give it extra cytokinin, when nitrogen is low, you still get substantial length growth with extra far-red light. This is the first time that anyone has shown that cytokinin plays a role in shade avoidance. We have therefore discovered a new mechanism. This is quite remarkable, because these processes have already been studied very intensively,” says the professor.
And it gets even more remarkable: until now, cytokinin was known to be the very hormone that inhibits length growth. “Looking back, all the trials on which that conclusion was based involved seedlings raised in the dark. You only get that response when you grow them in the light. And not with ordinary white light, but only with an excess of far-red light,” he explains.
Raspberry Pi-based imaging system used to monitor the length growth and vertical movement of leaves in real time. Photo: Lisa Oskam.
The inhibitor inhibited
The researchers also investigated how this mechanism works at the genetic level. “There are specific proteins that inhibit plant sensitivity to cytokinin. The genes encoding these proteins are themselves inhibited when exposed to far-red light. In other words, the inhibitor is inhibited. And that is precisely what stimulates sensitivity. These are also very new insights,” Pierik says.
The architecture of crops can be very important. “We learned that from the Green Revolution. That resulted in much higher yields because agronomists started growing rice and wheat varieties that put less energy into length growth and more into the grains. Such new insights can help agronomists and growers achieve better production in crops like barley, wheat, maize and rice,” he concludes.
Onderzoekers ontdekken nieuw mechanisme bij schaduwvermijding: planten strijden om licht
Planten die dicht op elkaar groeien, doen er alles aan om licht te onderscheppen. Deze ‘schaduwmijdende’ reactie is al uitgebreid onderzocht. Des te opmerkelijker dat onderzoekers van de vakgroep Moleculaire Biologie een geheel nieuw mechanisme hebben ontdekt: het hormoon cytokinine speelt een belangrijke rol. Het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications heeft het onderzoek gepubliceerd.
Planten in de natuur, op het veld of in de kas strijden met elkaar om licht, vocht en voedingsstoffen. Hoe dichter ze bij elkaar staan, hoe heftiger de concurrentie. Maar hoe weten planten dat het druk begint te worden? “In een dicht gewas dempt rood licht sneller uit dan verrood licht, dat juist gereflecteerd wordt. Dus de verhouding rood/verrood daalt bij een grotere plantendichtheid. Planten ‘zien’ dit met het lichtgevoelige pigment fytochroom”, vertelt Ronald Pierik, hoogleraar moleculaire biologie aan Wageningen University & Research.
Fytochroom werkt als een schakelaar: die kan in- of uitgeschakeld worden. De verhouding tussen rood en verrood bedient als het ware de aan-uitknop. En dat zet een hele reeks aan reacties in gang. Pierik: “Bij relatief veel verrood licht – dus een dicht gewas – worden de stengels en bladstelen langer. De bladeren gaan van een horizontale naar een meer verticale stand. Alles is erop gericht om boven de buren uit te stijgen en meer licht op te vangen.”
Boven- en ondergrondse concurrentie
Over deze reactie en de mechanismen die haar aansturen, is al heel veel bekend. “Hoe planten informatie over licht verwerken, is belangrijk voor onze gewassen. Deze worden immers over het algemeen dicht op elkaar geplant. De vraag is hoe ver je daarmee kan gaan”, geeft Pierik aan. Planten concurreren niet alleen om licht, maar ook bijvoorbeeld om voedingstoffen. “Je zou dus de schaduwvermijding in samenhang met andere reacties op concurrentie moeten bekijken. Zo benader je de werkelijke situatie in het veld. Deze gedachtegang bracht onze postdoc Pierre Gautrat, die dit werk startte in onze voormalige groep aan de Universiteit Utrecht, op het idee om bovengrondse en ondergrondse concurrentie in samenhang te onderzoeken. Een van de onderzoeksvragen was: als een plant weinig voeding krijgt in de vorm van stikstof, kan hij dan nog wel goed reageren op verrood licht?”, vertelt hij.
- Helaas, uw cookie-instellingen zijn zodanig dat de video niet getoond kan worden - pas uw permissie voor cookies aan
De bladeren van bonenplanten zijn continu in beweging, wat ze helpt om zich optimaal te positioneren voor lichtinvang. Bladbewegingen helpen de modelplant Arabidopsis ook om boven hun concurrenten uit te steken. Video credit: Ronald Pierik en Christa Testerink: https://plantmoves.nl
Boodschapper
Voor deze reacties moeten de groeipunten van de plant weten hoeveel stikstof beschikbaar is in de bodem. Dit weten ze doordat er een boodschap van de wortels naar de groeipunten gaat. De boodschapper is in dit geval het plantenhormoon cytokinine. Dit wordt aangemaakt in de wortels en gaat via de vaten naar het bovengrondse deel van de plant. Hoe meer stikstof aanwezig is, hoe meer cytokinine er ook geproduceerd wordt.
“Het blijkt dat de reactie van schaduwvermijding inderdaad afneemt bij weinig stikstof. Maar we hebben ontdekt dat je de plant voor de gek kunt houden. Als je extra cytokinine toevoegt bij weinig stikstof, zie je toch een forse lengtegroei bij extra verrood licht. Dit is voor het eerst dat iemand heeft aangetoond dat cytokinine een rol speelt bij schaduwvermijding. We hebben dus een nieuw mechanisme ontdekt. Dat is heel opmerkelijk, want deze processen zijn al intensief onderzocht”, vertelt de hoogleraar.
En het wordt nog opmerkelijker: tot nu toe was cytokinine namelijk bekend als het hormoon dat lengtegroei juist remt. “Terugkijkend zijn alle proeven waarop die conclusie was gebaseerd, gedaan met zaailingen die in het donker waren gekweekt. Pas als je ze in het licht kweekt, krijg je die reactie. En dan alleen bij een overmaat aan verrood licht”, legt hij uit.
Remming van de remming
De onderzoekers hebben ook op genetisch niveau onderzocht hoe dit mechanisme werkt. “Er zijn specifieke eiwitten die de gevoeligheid van de plant voor cytokinine remmen. De genen die voor deze eiwitten coderen, worden bij echter blootstelling aan verrood licht zelf weer geremd. Dit leidt tot een ‘remming van de remming’, wat betekent dat de gevoeligheid voor cytokinine juist toeneemt. Ook dit zijn heel nieuwe inzichten”, vertelt Pierik.
De architectuur van gewassen kan heel belangrijk zijn. “Dat hebben we geleerd van de de Groene Revolutie. Deze leidde tot sterk gestegen oogsten omdat veredelaars rijst- en tarwerassen ontwikkelden die minder energie staken in lengtegroei en meer in de korrels. Dit soort nieuwe inzichten kan veredelaars en telers helpen om bij gewassen als gerst, tarwe, maïs en rijst tot betere productie te komen”, besluit hij.
Topics
Species
