Ontwikkeling en adaptatie in planten Kirsten ten Tusscher Theoretical Biology & Bioinformatics Group Department of Biology, Faculty of Science Utrecht University, The Netherlands
Planten zijn geen dieren ;) Fundamenteel andere ontwikkelingsbiologie Meeste organen worden postembryonaal gevormd Gaat gedurende hele levensloop door Omgeving sterk van invloed op uiteindelijke uitkomst
Planten zijn geen dieren ;) Fundamenteel andere ontwikkelingsbiologie Cellen zijn omgeven door celwand Cellen kunnen dus niet van buurman veranderen Geordende volgorde van stamcellen delende cellen strekkende cellen gedifferentieerde cellen Elk nieuw orgaan vereist nieuwe groep stamcellen
Auxine regelt zowel ontwikkeling als tropismes Ontwikkelling: Auxine maxima and gradienten - vorming en handhaving van wortel en scheut meristemen - initiatialisatie van nieuwe laterale wortels en scheuten - prepatroon voor blad venation - inductie van blad rand patroon Tropismes: Asymmetrische auxine patronen leiden tot ongelijke groei en daardoor buiging richting licht, water, nutrienten, of weg van zout of schaduw
Leidt tot paradoxaal conflict Ontwikkeling vereist stabiele auxine gradient Tropismes vereisen flexibele auxine gradient
Plethora's, simpele uitvoerende kracht van auxine? Auxine induceert expressie van PLT genen Leidt tot gradient lijkend op auxine gradient Patroon correleert met stamcellen + ontwikkelingszones
Vraag Hoe kan auxine zorgen voor zowel stabiele ontwikkeling van plant (vereist stabiele gradient) flexibele aanpassing aan omgeving (vereist flexibele gradient) Wat is de rol van de PLTs hierin? Alleen tussenpersoon tussen auxine en uit te voeren processen? Helpen zij op de een of andere manier dit conflict op te lossen? En zo ja hoe dan?
Aanpak: Multischaal modelering -in combinatie met experimentenniet bottom-up: overvloed aan detail niet haalbaar op niveau hele wortel Niet top-down: we weten de regels nog niet laat geen emergente processen toe Middle-out: de cel als basis Naar onder: welke subcellulaire processen essentieel? Naar boven: welke weefsel processen essentieel?
Multischaal model voor plant wortel groei en adaptatie Wortel architektuur & cel groei dynamica
Auxine dynamica & gradient formatie Auxine dynamica Productie en afbraak Diffusie in cellen en celwanden Apolar opname in cellen Polaire efflux van cellen: PINs PIN patroon leidt tot auxine gradient Binnenste cellagen: PINs naar beneden Buitenste cellagen: PINs omhoog en naar binnen Leidt to auxine recycle-fontein Leidt to maximum en gradient
PLTs bepalen locatie van zones (stam cel, deling, strekking, differentiatie) PLTs controleren transities tussen zones onafhankelijk van auxine
Langdurig hoge auxine concentraties nodig voor PLT expressie Wortels behandeld met IAA en NPA Alleen langdurig hoge auxine concentraties leiden tot PLT expressie Stop dit in het model: Vertraagde activatie van PLTs door auxine
Wat wiskunde en informatica details Gen expressie: Differentiaal vergelijkingen voor productie en degradatie: Auxine transport: Partiele differentiaal vergelijkingen ivm transport Cel ontwikkeling: Regels voor deling, expansie en differentiatie van cellen
Een belangrijke taak van modellen is om te falen! Model genereert PLT maximum maar totaal geen gradient! PLT gradient is dus duidelijke geen simpele readout van auxin gradient Duidelijk signaal dat we nog niet voldoende weten! Wat zorgt dan wel voor de PLT gradient?
Op zoek naar een mechanisme voor de PLT gradient Clonale expressie van PLT buiten normale domein Green: PLT expressie Red: PLT protein Rood > Groen! Eiwit beweegt naar cellen buiten expressie domein!
Model voorspelling 1: Effectief cel-cell transport van PLTs vereist stabiel eiwit Fast PLT turnover Slow PLT turnover Fast PLT turnover Slow PLT turnover
Model voorspelling 2: Eiwit stabiliteit zorgt voor groei verdunning Welke andere gevolgen heeft een sterk stabiel eiwit? Simuleer groei in afwezigheid van cell-cell transport Eiwit stabiliteit leidt tot groei verdunning: aanwezigheid van eiwit in dochtercellen die het gen niet meer expressen door langzame afbraak (lagere concentratie oudere cel).
Cel-cel transport en groei verdunning leiden samen tot PLT gradient Cell-to-cell movement alone Mitotic segregation alone Cell-to-cell movement and mitotic segregation
Experimentele validatie van voorspellingen Stabiel eiwit (H2B, nucleosomal) met PLT2 promotor Instabiel eiwit (CYCB1, cell cycle) met PLT2 promotor Stabiel eiwit leidt tot gradient Instabiel eiwit leidt tot lokaal maximum PLT gen expressie idd heel lokaal eiwit stabiliteit belangrijk voor PLT gradient Remmen van celdeling verkort de gradient groei verdunning idd ook van belang
Auxine en PLTs: Twee heel verschillende gradienten Auxine gradient is het resultaat van PIN auxine transport. Kan snel veranderen als bijv. orientatie van PINs veranderen. PLT gradient is het resultaat van PLT transcripte onder langdurig hoge auxine concentraties en langzame verplaatsing door cel-cel transport en groei verdunning. Verandert langzaam als gevolg van veranderingen in auxine concentraties, celdelingssnelheid of mate waarin plasmodesmata open staan Doet auxine naast PLT inductie nog meer?
PLT-onafhankelijke effecten van auxine Auxine beinvloed snelheid van groei, deling, expansie en differentiatie van cellen Dual control architecture: Auxin PLT locatie van zones (langzaam) Auxin snelheden in zones (snel) Wat is de functie hiervan?
Simuleren van wortel gravitropisme -tijdelijke auxine asymmetrie leidt tot buigingonder gravitropisme, vallen eiwitkorrels naar de onderkant van gespecialiseerde cellen in de columella, waardoor PIN3 naar beneden gaat wijzen en auxine meer naar beneden gaat Vanneste & Friml, Cell, 2009 Simuleer periodiek gravitropisme dmv rhythmisch veranderen van PIN orientatie patroon in columella cellen
Wortel gravitropisme -dynamisch auxine and stabiele PLTs-
Wat als?: doing the impossible! - Het belang van een stabiele PLT gradient Wat als PLTs wel gewoon readout van auxine zijn? Verlies van gecoordineerde differentiatie volgorde!
Conclusie / Samenvatting
En hoe nu verder? Auxine induceert expressie van PLTs PLTs induceren auxine transport + biosynthese genen Belangrijk voor vorming stam cel niche? Belangrijk voor afstand zijorganen?
Gedaan in samenwerking met Prof. Ben Scheres (Wageningen) Dr. Ari Pekka Mahonen (Helsinki)
Vragen?