"Planten, of ze nu enorm of microscopisch zijn, vormen de basis van al het leven, inclusief onszelf." Dit was David Attenborough's inleiding tot The Green Planet, de nieuwste BBC-serie over natuurlijke historie.

In de afgelopen 500 miljoen jaar zijn planten verweven geraakt met elk aspect van ons leven. Planten ondersteunen tegenwoordig al het andere leven op aarde. Ze zorgen voor de zuurstof die mensen inademen, maar ook voor het reinigen van de lucht en het afkoelen van de temperatuur van de aarde. Maar zonder water zouden planten niet overleven. Oorspronkelijk gevonden in aquatische omgevingen, zijn er naar schatting ongeveer 500.000 soorten landplanten die voortkwamen uit een enkele voorouder die door het water dreef.

In ons recente artikel, gepubliceerd in New Phytologist , onderzoeken we op genetisch niveau hoe planten hebben geleerd water te gebruiken en te manipuleren - van de eerste kleine mosachtige planten die op het land leefden in de Cambrische periode (ongeveer 500 miljoen jaar geleden) tot de gigantische bomen die complexe bossen vormen ecosystemen van vandaag.

Hoe planten evolueerden

Door meer dan 500 genomen (het DNA van een organisme) te vergelijken, laten onze resultaten zien dat verschillende delen van plantenanatomieën die betrokken zijn bij het transport van water - poriën (huidmondjes), vaatweefsel, wortels - gekoppeld waren aan verschillende methoden van genevolutie. Dit is belangrijk omdat het ons vertelt hoe en waarom planten op verschillende momenten in hun geschiedenis zijn geëvolueerd.

De relatie van planten met water is de afgelopen 500 miljoen jaar drastisch veranderd. Voorouders van landplanten hadden een zeer beperkt vermogen om water te reguleren, maar afstammelingen van landplanten hebben zich aangepast om in drogere omgevingen te leven. Toen planten voor het eerst land koloniseerden, hadden ze een nieuwe manier nodig om toegang te krijgen tot voedingsstoffen en water zonder erin ondergedompeld te worden. De volgende uitdaging was om groter en groter te worden. Uiteindelijk evolueerden planten om in droge omgevingen zoals woestijnen te leven. De evolutie van deze genen was cruciaal om planten in staat te stellen te overleven, maar hoe hielpen ze planten zich eerst aan te passen en daarna te gedijen op het land?

Huidmondjes, de minuscule poriën in het oppervlak van bladeren en stengels, openen om de opname van koolstofdioxide mogelijk te maken en sluiten om waterverlies te minimaliseren. Uit ons onderzoek bleek dat de genen die betrokken zijn bij de ontwikkeling van huidmondjes in de eerste landplanten zaten. Dit geeft aan dat de eerste landplanten de genetische hulpmiddelen hadden om huidmondjes te bouwen, een belangrijke aanpassing voor het leven op het land.

De snelheid waarmee huidmondjes reageren verschilt per soort. Zo sluiten de huidmondjes van een madeliefje sneller dan die van een varen. Onze studie suggereert dat de huidmondjes van de eerste landplanten sloten, maar dit vermogen versnelde in de loop van de tijd dankzij genduplicatie naarmate soorten zich voortplantten. Genduplicatie leidt tot twee kopieën van een gen, waardoor een van deze zijn oorspronkelijke functie kan vervullen en de andere een nieuwe functie kan ontwikkelen. Met deze nieuwe genen konden de huidmondjes van planten die uit zaden groeien (liever zich voortplanten via sporen) sneller sluiten en openen, waardoor ze zich beter konden aanpassen aan de omgevingsomstandigheden.

Oude genen en nieuwe trucs

Vaatweefsel is het sanitairsysteem van een plant, waardoor het water intern kan transporteren en in grootte en gestalte kan groeien. Als je ooit de ringen van een omgehakte boom hebt gezien, zijn dit de overblijfselen van de groei van vaatweefsel.

We ontdekten dat in plaats van te evolueren door nieuwe genen, vaatweefsel ontstond door een proces van genetisch knutselen. Hier werden oude genen hergebruikt om nieuwe functies te krijgen. Dit laat zien dat evolutie niet altijd plaatsvindt met nieuwe genen, maar dat oude genen nieuwe trucjes kunnen leren.

Vóór de verhuizing naar het land werden planten gevonden in zoetwater- en mariene habitats, zoals de algengroep Spirogyra . Ze dreven en absorbeerden het water om hen heen. De evolutie van wortels stelde planten in staat om toegang te krijgen tot water van dieper in de grond en om verankering te bieden. We ontdekten dat een paar belangrijke nieuwe genen ontstonden in de voorouders van planten die op het land leven en planten met zaden, wat overeenkomt met de ontwikkeling van wortelharen en wortels. Dit toont het belang aan van een complex wortelstelsel, waardoor oude planten toegang krijgen tot water dat voorheen niet beschikbaar was.

De ontwikkeling van deze kenmerken bij elke belangrijke stap in de geschiedenis van planten benadrukt het belang van water als aanjager van plantenevolutie. Onze analyses werpen een nieuw licht op de genetische basis van de vergroening van de planeet en benadrukken de verschillende methoden van genevolutie in de diversificatie van het plantenrijk.

Planten voor de toekomst

Dit werk helpt ons niet alleen om het verleden te begrijpen, maar is ook belangrijk voor de toekomst. Door te begrijpen hoe planten zijn geëvolueerd, kunnen we de beperkende factoren voor hun groei beginnen te begrijpen. Als onderzoekers de functie van deze sleutelgenen kunnen identificeren, kunnen ze beginnen met het verbeteren van het watergebruik en de droogtebestendigheid van gewassoorten. Dit is met name van belang voor de voedselzekerheid.

Planten kunnen ook de sleutel zijn tot het oplossen van enkele van de meest prangende vragen waarmee de mensheid wordt geconfronteerd, zoals het verminderen van onze afhankelijkheid van chemische meststoffen, het verbeteren van de duurzaamheid van ons voedsel en het verminderen van onze uitstoot van broeikasgassen.

Door de mechanismen te identificeren die de plantengroei beheersen, kunnen onderzoekers beginnen met het ontwikkelen van veerkrachtiger, efficiëntere gewassoorten. Deze gewassen zouden minder ruimte, water en nutriënten nodig hebben en zouden duurzamer en betrouwbaarder zijn. Nu de natuur in verval is, is het van vitaal belang om manieren te vinden om harmonieuzer te leven op onze groene planeet.