Een groep wetenschappers van de Nagoya Universiteit in Japan heeft een gespecialiseerde microscopische techniek gebruikt om het interne reproductieproces van de Arabidopsis-plant te observeren. Hun bevindingen, gepubliceerd in EMBO Reports onthul het mechanisme achter een vrouwelijke bloem die selectief een enkele mannelijke tegenhanger aantrekt. Deze bevindingen bieden inzichten die kunnen helpen de zaadproductie te optimaliseren en de landbouwveredelingspraktijken te verbeteren.

Angiospermen, gewoonlijk bloeiende planten genoemd, hebben mannelijke en vrouwelijke voortplantingsorganen. Wanneer tijdens het reproductieproces van planten een stuifmeelkorrel die mannelijke gameten transporteert, op het stigma van een andere bloem terechtkomt, initieert dit de vorming van een stuifmeelbuis. De buis strekt zich uit door de stijl tot in de eierstok, waardoor spermacellen de eicel en centrale cellen in een zaadknop kunnen bereiken voor bevruchting.

Om dit proces beter te begrijpen, creëerden de onderzoekers een unieke microscopische techniek met behulp van een twee-fotonenmicroscoop. Volgens de hoofdauteur, Yoko Mizuta, was de drie jaar durende inspanning als een reis. "Het omvatte delicate technieken voor het hanteren van monsters en het optimaliseren van omstandigheden, zoals excitatiegolflengten, voor het verkrijgen van diepgaande beeldvorming van bloemen", legde ze uit.

Met behulp van hun techniek kon het team voor het eerst de verlenging van meerdere stuifmeelbuisjes in een levende stamper en hun unieke aantrekkingskracht op vrouwelijk weefsel observeren. Hierdoor konden ze een signaal identificeren dat werd uitgezonden door het moederweefsel en dat stuifmeelbuizen aantrekt door ze langs het meeldraadweefsel te laten uitrekken en de plaats van bevruchting te bereiken. Dit is het signaal dat het nauwkeurige beheer van één-op-één stuifmeelbuisgeleiding mogelijk maakt.

Eén-op-één geleiding van stuifmeelbuisjes is een cruciaal proces bij de voortplanting van planten, waarbij de stuifmeelbuisjes nauwkeurig naar individuele eitjes moeten worden geleid. Dit mechanisme zorgt voor de succesvolle bevruchting van angiospermen door de specifieke koppeling tussen eitjes en individuele stuifmeelbuisjes te vergemakkelijken.

Naast het signaal dat de aantrekkingskracht tussen individuen bevordert, waren Mizuta en haar collega's ook verrast toen ze een afstotingssignaal ontdekten. Dit signaal werd uitgezonden bij het aantrekken van een stuifmeelbuis, waardoor de verdere aantrekking van extra stuifmeelbuizen werd ontmoedigd. Naast het 45 minuten durende blokkeringsproces dat voorkomt dat meerdere spermacellen dezelfde eicel bevruchten, leidt een afstotingssignaal afgewezen vrijers ook naar andere ongepaarde eitjes.

"Ik vind het afstotingssysteem fascinerend," zei Mizuta. "De cellen die het aantrekkingssysteem genereren zijn meestal synergetische cellen, terwijl de cellen die het afstotingssysteem genereren meerdere typen omvatten, zoals somatische en gametofytische cellen op meerstapsniveaus. Ik vind het erg interessant dat bij alle koppelingen dit mechanisme van aantrekken en afstoten betrokken is. "

Verdere analyse toonde de complexiteit aan van het één-op-één geleidingsproces van stuifmeelbuizen, waardoor een ingewikkeld regelmechanisme aan het licht kwam dat de betrokkenheid van verschillende cellen in zowel mannelijke als vrouwelijke planten vereist. Deze nauwkeurige regeling zorgt voor een succesvolle bemesting en efficiënte zaadproductie, vooral onder uitdagende omgevingsomstandigheden.

Mizuta benadrukte het belang van dit mechanisme bij het maximaliseren van de zaadproductie. "Door het gedrag van stuifmeelbuizen nauwkeurig te orkestreren, hebben planten een mechanisme ontwikkeld dat succesvolle bemesting en efficiënte zaadproductie op droog land met een beperkt aantal minnaars garandeert", merkte ze op.

Dit onderzoek levert waardevolle informatie op over de manier waarop planten zich voortplanten en kan de landbouwveredeling ten goede komen door de zaadproductie te verhogen en de kiemkracht te verbeteren.

Meer informatie: Diepe beeldvorming onthult dynamiek en signalering in één-op-één stuifmeelbuisgeleiding, EMBO-rapporten (2024). DOI:10.1038/s44319-024-00151-4

Journaalinformatie: EMBO-rapporten

Geleverd door Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM), Nagoya University