Soms moet je omhoog kijken om de wortels te zien.

Wortels worden normaal gesproken geassocieerd met dingen die ondergronds leven, in het vochtige en het donker. Denk aan rapen, radijs en yams. Veel planten maken hun wortels echter bovengronds. Klimop gebruikt zijn wortels om op gebouwen te klimmen en de machtige ficusboom gebruikt ze om hun grote takken te ondersteunen. Wat zorgt ervoor dat planten wortels vormen op de 'verkeerde plaats', om zo te zeggen? Dat zou zijn alsof wij mensen benen van onze schouders laten ontspruiten.

In een onderzoek dat deze week is gepubliceerd in het tijdschrift Science , Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem (HU) Professor Idan Efroni en zijn team hebben het verborgen mechanisme gevonden dat luchtwortels mogelijk maakt. Door de stengel te ontbinden tot individuele cellen, identificeerde het team de uiterst zeldzame cellen die, wanneer de omstandigheden rijp zijn, ervoor zorgen dat wortels in de lucht groeien.

"Op het eerste gezicht lijken deze op andere plantencellen en daarom zijn ze zo lang aan detectie ontsnapt", legt Efroni uit. "We hebben nieuwe technieken gebruikt om duizenden cellen één voor één nauwkeurig te screenen. We wisten dat we door de cellen te vinden die wortels kunnen maken, de 'schakelaar' zouden kunnen vinden die ze aanzet."

Planten maken wortels van kleine organen die meristemen worden genoemd. Door deze unieke cellen nauwkeurig te onderzoeken, kon dr. Naama Gil-Yarom, onderzoeksmedewerker van het HU-lab, ze betrappen op het maken van een meristeem en de genen identificeren die op het overgangspunt actief zijn. Eén gen viel in het bijzonder op, en toen de HU Ph.D. student Moutasem Omary gebruikte CRISPR om dit gen te verwijderen, de planten verloren hun vermogen om luchtwortels te maken.

Toen Efroni en zijn team het genoom bestudeerden, stonden ze voor een verrassing. Direct naast het gen dat de productie van luchtwortels regelde, bevond zich een zeer vergelijkbaar gen. "We herkenden het onmiddellijk uit eerdere studies als het gen dat de vorming van ondergrondse wortels regelt," vertelde Efroni, "ik herinner me dat ik dacht dat we zojuist de centrale hub tegenkwamen die de wortelvorming regelt." Inderdaad, toen de onderzoekers al deze genen uitschakelden, konden de planten helemaal geen wortels meer laten groeien.

Door de evolutie van deze genen te volgen, ontdekte het team dat veel belangrijke gewassen, zoals zoete aardappelen, bonen, tomaat, rijst, maïs en tarwe, dit dubbele wortelcontrolesysteem delen. "Het vermogen om luchtwortels te maken is zeer voordelig naar de fabriek", legt Efroni uit. "In het geval dat de ondergrondse wortels worden overstroomd of beschadigd, kan de plant luchtwortels laten groeien en de aanval overleven", voegde hij eraan toe. Planten hebben dit vermogen al vroeg ontwikkeld en zijn nooit vergeten hoe ze het moesten doen.

Maar wat in de natuur nuttig is, kan in de landbouw juist een nadeel zijn. Veel planten zijn geënt, wat betekent dat ze het wortelstelsel van de ene plant hebben en het bovengrondse systeem van een andere. Hierdoor kunnen boeren planten telen die resistent zijn tegen bodemziekte. Als het bovenste deel van het transplantaat echter een luchtwortel laat groeien, omzeilt het de bodemweerstand en maakt het alle moeite van het enten nutteloos. Dankzij de ontdekking van Efroni en zijn team weten we echter op welke genen we ons moeten richten en kunnen we planten creëren zonder luchtwortels, waardoor de praktijk van enten veel effectiever wordt.

Vooruitkijkend is de groep van plan om de DNA-code in het wortelcontrolecluster aan te passen om boven- en ondergrondse wortelsystemen op maat te maken. Zoals Efroni tot de conclusie kwam:"Om het land dat we hebben zo goed mogelijk te benutten, moeten we de manier waarop onze voedselgewassen groeien en de hulpbronnen gebruiken optimaliseren. Dat is een ontmoedigende en complexe taak, maar stap voor stap , we komen er wel."