The petal identity gene PhDEF has a major binding and regulatory action in the epidermis

Bloemen zijn niet louter statische objecten van schoonheid; ze zijn het resultaat van een precies biologisch constructieproject waarbij elk onderdeel op de juiste plaats en op het juiste moment moet verschijnen. Om te begrijpen hoe een plant weet dat hij een bloemblad moet laten groeien in plaats van een blad, of een meeldraad in plaats van een stengel, hebben wetenschappers lang gestudeerd naar een set meesterinstructies die bekend staan als homeotische genen. Deze genen fungeren als een blauwdruk die cellen vertelt welk type orgaan ze moeten worden. Decennialang lag de focus van dit onderzoek op het allereerste begin van het leven van een bloem, wanneer deze genen voor het eerst het lot van het orgaan bepalen. Een bloem is echter een complexe structuur die bestaat uit verschillende lagen cellen, net zoals een muur een buitenkant en een binnenkern heeft. Het is een mysterie gebleven of de meesterinstructies die zeggen "word een bloemblad" op dezelfde manier werken in elke afzonderlijke laag van dat bloemblad, of dat de specifieke laag van de cel bepaalt hoe die instructies worden gelezen en uitgevoerd.

Een team van onderzoekers richtte zijn aandacht op de petunia om dit puzzelstuk op te lossen, waarbij ze zich concentreerden op een specifiek meestergen genaamd PhDEF, dat verantwoordelijk is voor het vertellen van cellen dat ze deel moeten uitmaken van een bloemblad. Ze wisten uit eerder werk dat als dit gen ontbreekt in de buitenste laag van het bloemblad, de bloem er heel anders uitziet dan wanneer het ontbreekt in de binnenste laag. Dit suggereerde dat het gen mogelijk verschillende taken uitvoert afhankelijk van waar het zich bevindt, maar het exacte mechanisme bleef verborgen voor het oog. Om de waarheid te achterhalen, kweekten de wetenschappers petunia's met specifieke mutaties die het PhDEF-gen verwijderden uit ofwel de buitenste huid van het bloemblad, de epidermis, ofwel het binnenste weefsel, het mesofyl. Vervolgens gebruikten ze geavanceerde instrumenten om de genetische activiteit van individuele cellen te lezen en om exact in kaart te brengen waar het PhDEF-eiwit zich aan het DNA bond binnen die cellen.

Het onderzoek onthulde dat het gen niet fungeert als een uniforme schakelaar over het gehele orgaan. In plaats daarvan reguleert PhDEF twee volkomen verschillende sets doelgenen, afhankelijk van of het werkt in de buitenste epidermis of in het binnenste mesofyl. De onderzoekers ontdekten dat de invloed van het gen veel krachtiger is in de buitenste laag. In de epidermis bindt het PhDEF-eiwit met een veel grotere frequentie en intensiteit aan het DNA, waardoor een breed scala aan genen wordt aangestuurd die het oppervlak van het bloemblad vormen. In contrast hiermee is de binding in het binnenste mesofyl veel zwakker en beïnvloedt het een andere, kleinere groep genen. De studie toonde ook aan dat de manier waarop het gen zich aan het DNA bindt zeer divers is; het maakt gebruik van een complexe mix van bindingsplaatsen die specif kind zijn aan bepaalde lagen en andere die gedeeld worden, wat een unieke regulatoire signatuur voor elk celtype creëert.

Dit werk demonstreert dat de identiteit van een cellaag even belangrijk is als de identiteit van het orgaan zelf. Hetzelfde meestergen, belast met het maken van een bloemblad, moet zijn gedrag aanpassen om te passen bij de specifieke context van de cel waarin het zich bevindt. Door aan te tonen dat de buitenste en binnenste lagen van een bloemblad op verschillende manieren reageren op hetzelfde genetische commando, bevestigt de studie dat de geschiedenis en positie van een cellaag direct invloed hebben op hoe de instructies voor het bouwen van een bloem worden uitgevoerd. De bevindingen geven een duidelijker beeld van hoe complexe plantstructuren worden gebouwd, waarbij ze verder gaan dan het idee van een enkele, statische set regels om een dynamisch systeem te onthullen waarbij locatie de functie dicteert.