Hoe planten afkoelen bij hogere temperaturen: een verhaal over natuurlijke airconditioning
Wist je dat planten net zoals mensen ook nood hebben aan afkoeling als het te warm is? In tegenstelling tot mensen kunnen planten zichzelf niet verplaatsen naar de schaduw of in een gebouw met airconditioning, daarom passen ze zichzelf aan om af te koelen. Een van deze aanpassingen is om de bladeren op te heffen om verder van de warme grond verwijderd te zijn. Het begrijpen van deze temperatuurrespons is noodzakelijk, zeker in tijden van de klimaatopwarming. Daarom bekeek mijn onderzoek of fosforylatie van het eiwit AtEH1 en het opheffen van de bladeren van planten gecorreleerd zijn. En dat bleek ook zo te zijn!
Megacool, maar wat betekent dat nu die fosforylatie van het eiwit?
Overal in de cel worden eiwitten gefosforyleerd en gedefosforyleerd, dit zijn aanpassingen aan het eiwit zodat het eiwit geactiveerd of gedeactiveerd wordt of zodat het eiwit een andere functie kan uitvoeren dan de oorspronkelijke functie. Je kan dat zien als een vlaggetje die op het eiwit wordt gezet (fosforylatie) of een vlaggetje die van het eiwit wordt gehaald (defosforylatie). Doordat het gaat om een vlaggetje op of van het eiwit te plaatsen of te verwijderen, is dit een snel proces. Hierdoor kan de cel snel reageren op de omgeving. Dit is veel gemakkelijker dan bijvoorbeeld een volledig nieuw eiwit aan te maken om te reageren.
Waarom denken wij dat er een correlatie is tussen de fosforylatie en het opheffen van de bladeren?
Het eiwit AtEH1 bestaat uit 545 aminozuren, dit zijn de bouwstenen van eiwitten. Uit een eerder onderzoek was gebleken dat het AtEH1 eiwit gefosforyleerd wordt op enkele van deze 545 aminozuren bij temperaturen van 28 °C. Zoals gezegd gebeuren dit soort aanpassingen als een reactie op de omgeving van de plant, daarom denken we dat het eiwit gecorreleerd kan zijn aan andere reacties van planten op warme temperatuur. Een ander onderzoek heeft planten gemaakt die het eiwit veel meer maken in een cel dan een normale plant. In dit onderzoek werd het eiwit 10 keer meer geproduceerd dan normaal. De onderzoekers hebben deze planten bij 28 °C geplaatst samen met de normale planten. Ze zagen dat de normale planten de bladeren ophieven, maar dat de planten die 10x meer eiwit hadden dit niet deden. Door beide onderzoeken denken wij dat er een correlatie kan zijn tussen fosforylatie en het opheffen van de bladeren.
Op onderzoek!
Iets beweren aan de ene kant en bewijzen aan de andere kant, zijn twee verschillende zaken. Dus hoe kunnen wij dit bewijzen? Het eiwit AtEH1 waarover we gesproken hebben werd aangepast op twee verschillende manieren. Er werd een eiwit gemaakt waarbij er geen vlaggetjes op 10 plaatsen kunnen gezet worden, dit wordt fosfodood genoemd. Er werd ook een eiwit gemaakt dat er voor de cel altijd uitziet met vlaggetjes op dezelfde 10 plaatsen, dit wordt fosfonabootsing genoemd. Planten werden gemaakt die één van deze twee eiwitten in grote hoeveelheid produceren in de cel. Deze planten werden gegroeid en geselecteerd zodat we met planten konden werken die het eiwit ook 10 keer meer produceren.
Nadat we de planten gekozen hebben die aan onze wensen voldoen; hebben we ze gebruikt in een experiment. De planten werden samen met normale planten en de planten die het gewone eiwit 10 keer meer produceren (uit het vorige onderzoek) bij 28 °C geplaatst. Na zes uur bleek dat de normale planten en de planten met het fosfodood of het fosfonabootsing eiwit allen de bladeren opheffen om af te koelen. En net zoals in het eerder onderzoek bleven de bladeren van de planten die het eiwit 10 keer meer produceren beneden.
De verschillende planten die veel van een eiwit produceren, reageren anders op de temperatuur. De ene planten doen niets, de planten met het aangepaste eiwit doen hetzelfde als normale planten. Het verschil tussen deze planten is de aanpassing die gedaan werd op de 10 verschillende plaatsen. Wij vermoeden dat één van deze 10 plaatsen een sleutelrol speelt waardoor de bladeren wel of niet omhoog bewegen. Dit toont dat het aanpassen van de mogelijkheid om een vlaggetje te plaatsen invloed heeft op het gedrag van de bladeren van de plant.
Hoe moet het nu verder?
Hoewel dit onderzoek de fosforylatie van AtEH1 en de correlatie met het opheffen van de bladeren als gevolg van een warmere temperatuur bekeken heeft, zijn er nog een heel wat extra vragen op te lossen. Enerzijds is er een vaag idee dat één van de tien plaatsen die aangepast waren een rol spelen, maar welke plaats is niet bekend. Met een volgend onderzoek kunnen onderzoekers dit nagaan. Anderzijds kan het gedrag van een plant vaak verklaard worden met verschillende componenten en kettingreacties in de cel. AtEH1 is niet het enige eiwit dat gecorreleerd werd met het bewegen van de bladeren, er zijn nog vele andere eiwitten die hiermee gecorreleerd worden. Ook deze eiwitten en componenten zouden verder onderzocht moeten worden, want onderzoek naar temperatuurrespons zal ook in de toekomst zeer belangrijk blijven.
Kunnen we het resultaat van het onderzoek gebruiken in het dagelijkse leven?
Dit is een zeer interessante vraag, want de problematiek van de klimaatopwarming zal niet snel opgelost worden. Daarom zou het interessant zijn als we nu al gewassen kunnen maken die beter bestand zijn tegen temperatuurstijgingen met de informatie uit dit onderzoek. Dit onderzoek zal de komende jaren nog veel dieper bekeken moeten worden voordat er een idee gevormd zal zijn hoe we ervoor kunnen zorgen dat planten de warmte beter kunnen verdragen. Een belangrijk stukje van de puzzel mist nog, namelijk welk enzyme er de vlagjes op het eiwit plaatst. Je dacht toch niet dat de vlagjes op magische wijze verschenen op de juiste plaats? Ik geloof dat wanneer dit enzyme gevonden wordt, de weg naar planten die temperatuurstijgingen beter verdragen volledig openligt!
Bibliografie
Bashline, L., Li, S., Anderson, C. T., Lei, L., & Gu, Y. (2013). The endocytosis of cellulose synthase in arabidopsis is dependent on μ2, a clathrin-mediated endocytosis adaptin. Plant Physiology, 163(1), 150–160. https://doi.org/10.1104/pp.113.221234
Bio-Rad Laboratories. (2018). Trans-Blot Turbo Transfer System Transfer Pack Quick Start Guide Instructions for Using Trans-Blot Turbo Transfer Packs.
Clough, S. J., & Bent, A. F. (1998). Floral dip: A simplified method for Agrobacterium-mediated transformation of Arabidopsis thaliana. Plant Journal, 16(6), 735–743. https://doi.org/10.1046/j.1365-313X.1998.00343.x
Dragwidge, J. M., Wang, Y., Brocard, L., De Meyer, A., Eeckhout, D., Grones, P., Buridan, M., Chambaud, C., Potocký, M., Winkler, J., Vandorpe, M., Serre, N., Fendrych, M., Bernard, A., De Jaeger, G., Pleskot, R., Fang, X., & Van Damme, D. (2024). Biomolecular condensation orchestrates clathrin-mediated endocytosis in plants.
Fujimoto, M., Arimura, S. I., Ueda, T., Takanashi, H., Hayashi, Y., Nakano, A., & Tsutsumi, N. (2010). Arabidopsis dynamin-related proteins DRP2B and DRP1A participate together in clathrin-coated vesicle formation during endocytosis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 107(13), 6094–6099. https://doi.org/10.1073/pnas.0913562107
Gadeyne, A., Sánchez-Rodríguez, C., Vanneste, S., Di Rubbo, S., Zauber, H., Vanneste, K., Van Leene, J., De Winne, N., Eeckhout, D., Persiau, G., Van De Slijke, E., Cannoot, B., Vercruysse, L., Mayers, J. R., Adamowski, M., Kania, U., Ehrlich, M., Schweighofer, A., Ketelaar, T., … Van Damme, D. (2014). The TPLATE adaptor complex drives clathrin-mediated endocytosis in plants. Cell, 156(4), 691–704. https://doi.org/10.1016/j.cell.2014.01.039
Grones, P., De Meyer, A., Pleskot, R., Mylle, E., Kraus, M., Vandorpe, M., Yperman, K., Eeckhout, D., Dragwidge, J. M., Jiang, Q., Nolf, J., Pavie, B., De Jaeger, G., De Rybel, B., & Damme, D. Van. (2022). The endocytic TPLATE complex internalizes ubiquitinated plasma membrane cargo Europe PMC Funders Group.
Johnson, A., Dahhan, D. A., Gnyliukh, N., Kaufmann, W. A., Zheden, V., Costanzo, T., Mahou, P., onika Hrtyan, M., Wang, J., Aguilera-Servin, J., Van Damme, el, Beaurepaire, E., Loose, M., Bednarek, S. Y., & ı Friml, J. (2021). The TPLATE complex mediates membrane bending during plant clathrin-mediated endocytosis. PNAS, 118(51). https://doi.org/10.1073/pnas.2113046118/-/DCSupplemental
Johnson, A., & Vert, G. (2017). Single event resolution of plant plasma membrane protein endocytosis by TIRF microscopy. Frontiers in Plant Science, 8. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.00612
Kim, J. Y., Park, Y. J., Lee, J. H., & Park, C. M. (2019). Developmental polarity shapes thermo-induced nastic movements in plants. Plant Signaling and Behavior, 14(8). https://doi.org/10.1080/15592324.2019.1617609
Kozeleková, A., Náplavová, A., Brom, T., Gašparik, N., Šimek, J., Houser, J., & Hritz, J. (2022). Phosphorylated and Phosphomimicking Variants May Differ—A Case Study of 14-3-3 Protein. Frontiers in Chemistry, 10. https://doi.org/10.3389/fchem.2022.835733
Li, Z., Wu, X. N., Jacquot, A., Chaput, V., Adamo, M., Neuhäuser, B., Straub, T., Lejay, L., & Schulze, W. X. (2024). Phosphoregulation in the N-terminus of NRT2.1 affects nitrate uptake by controlling the interaction of NRT2.1 with NAR2.1 and kinase HPCAL1 in Arabidopsis. Journal of Experimental Botany, 75(7), 2127–2142. https://doi.org/10.1093/jxb/erad490
Lorenz, T. C. (2012). Polymerase chain reaction: Basic protocol plus troubleshooting and optimization strategies. Journal of Visualized Experiments, 63. https://doi.org/10.3791/3998
Murashige, T., & Skoog, F. (1962). A Revised Medium for Rapid Growth and Bio Assays with Tobacco Tissue Cultures. Physiologia Plantarum, 15, 473–497.
Narasimhan, M., Johnson, A., Prizak, R., Kaufmann, W. A., Tan, S., Casillas-Pérez, B., & Friml, J. (2020). Evolutionarily unique mechanistic framework of clathrin-mediated endocytosis in plants. ELife, 9. https://doi.org/10.7554/eLife.52067
Park, Y. J., Lee, H. J., Gil, K. E., Kim, J. Y., Lee, J. H., Lee, H., Cho, H. T., Vu, L. D., Smet, I. De, & Park, C. M. (2019). Developmental programming of thermonastic leaf movement. Plant Physiology, 180(2), 1185–1197. https://doi.org/10.1104/pp.19.00139
Promega. (2016). ReliaPrepTM RNA Tissue Miniprep System Instructions for Use of Products Z6110, Z6111 and Z6112. Promega corporation. www.promega.com
Promega. (2023). Wizard(R) Genomic DNA Purification Kit Technical Manual #TM050. www.promega.com
Scheepens, J. F., Deng, Y., & Bossdorf, O. (2018). Phenotypic plasticity in response to temperature fluctuations is genetically variable, and relates to climatic variability of origin, in Arabidopsis thaliana. AoB PLANTS, 10(4). https://doi.org/10.1093/aobpla/ply043
Schindelin, J., Arganda-Carreras, I., Frise, E., Kaynig, V., Longair, M., Pietzsch, T., Preibisch, S., Rueden, C., Saalfeld, S., Schmid, B., Tinevez, J. Y., White, D. J., Hartenstein, V., Eliceiri, K., Tomancak, P., & Cardona, A. (2012). Fiji: An open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods, 9(7), 676–682. https://doi.org/10.1038/nmeth.2019
Tan, J., Zhou, Z., Feng, H., Xing, J., Niu, Y., & Deng, Z. (2021). Data-independent acquisition-based proteome and phosphoproteome profiling reveals early protein phosphorylation and dephosphorylation events in arabidopsis seedlings upon cold exposure. International Journal of Molecular Sciences, 22(23). https://doi.org/10.3390/ijms222312856
Van Damme, D., Coutuer, S., De Rycke, R., Bouget, F. Y., Inzé, D., & Geelen, D. (2006). Somatic cytokinesis and pollen maturation in Arabidopsis depend on TPLATE, which has domains similar to coat proteins. Plant Cell, 18(12), 3502–3518. https://doi.org/10.1105/tpc.106.040923
Vu, L. D., Gevaert, K., & De Smet, I. (2019a). Feeling the Heat: Searching for Plant Thermosensors. In Trends in Plant Science (Vol. 24, Issue 3, pp. 210–219). Elsevier Ltd. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2018.11.004
Vu, L. D., Xu, X., Gevaert, K., & de Smet, I. (2019b). Developmental plasticity at high temperature. In Plant Physiology (Vol. 181, Issue 2, pp. 399–411). American Society of Plant Biologists. https://doi.org/10.1104/pp.19.00652
Vu, L. D., Xu, X., Zhu, T., Pan, L., van Zanten, M., de Jong, D., Wang, Y., Vanremoortele, T., Locke, A. M., van de Cotte, B., De Winne, N., Stes, E., Russinova, E., De Jaeger, G., Van Damme, D., Uauy, C., Gevaert, K., & De Smet, I. (2021). The membrane-localized protein kinase MAP4K4/TOT3 regulates thermomorphogenesis. Nature Communications, 12(1). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23112-0
Wang, P., Pleskot, R., Zang, J., Winkler, J., Wang, J., Yperman, K., Zhang, T., Wang, K., Gong, J., Guan, Y., Richardson, C., Duckney, P., Vandorpe, M., Mylle, E., Fiserova, J., Van Damme, D., & Hussey, P. J. (2019). Plant AtEH/Pan1 proteins drive autophagosome formation at ER-PM contact sites with actin and endocytic machinery. Nature Communications, 10(1). https://doi.org/10.1038/s41467-019-12782-6
Yperman, K., Papageorgiou, A. C., Merceron, R., De Munck, S., Bloch, Y., Eeckhout, D., Jiang, Q., Tack, P., Grigoryan, R., Evangelidis, T., Van Leene, J., Vincze, L., Vandenabeele, P., Vanhaecke, F., Potocký, M., De Jaeger, G., Savvides, S. N., Tripsianes, K., Pleskot, R., & Van Damme, D. (2021a). Distinct EH domains of the endocytic TPLATE complex confer lipid and protein binding. Nature Communications, 12(1). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23314-6
Yperman, K., Wang, J., Eeckhout, D., Winkler, J., Vu, L. D., Vandorpe, M., Grones, P., Mylle, E., Kraus, M., Merceron, R., Nolf, J., Mor, E., de Bruyn, P., Loris, R., Potocký, M., Savvides, S. N., de Rybel, B., de Jaeger, G., van Damme, D., & Pleskot, R. (2021b). Molecular architecture of the endocytic TPLATE complex. Science Advances, 7(9). https://doi.org/10.1126/sciadv.abe7999
