Een biologisch mechanisme dat bekend is bij mensen die snel plantenwortels helpen sterk te worden. De ontdekking door wetenschappers van de Universiteit van Kopenhagen biedt een antwoord op een lang onbeantwoorde vraag en een dieper inzicht in de ‘monden’ van planten die kunnen helpen klimaatbestendige gewassen te ontwikkelen.

Stel je voor dat je met je voeten eet en de helft van je lichaam onder de grond hebt. Zo is het leven van de meeste planten, met wortels als monden waardoor ze eten en drinken. Wortels dienen ook om planten te verankeren en veilig te houden bij wind en regen. Wortels zijn inderdaad van cruciaal belang voor het leven van een plant.

Maar er zijn nog veel dingen onbekend over het leven van planten. Hoe ze hun wortels groot en sterk laten worden is al lang een vraag en er ontbreken belangrijke stukjes in de puzzel.

In een nieuwe studie die onlangs is gepubliceerd, delen onderzoekers van de afdeling Biologie van de Universiteit van Kopenhagen hun ontdekking over hoe planten de wortelgroei controleren.

Het blijkt dat een gunstig opruimmechanisme in plantencellen, autofagie genaamd, een sleutelrol speelt. Hetzelfde mechanisme bestaat bij mensen en maakt deel uit van een populaire gezondheidstrend.

“Vasten is populair geworden omdat het bij mensen een reeks gezondheidsbevorderende effecten lijkt te hebben, omdat perioden zonder voedsel ervoor zorgen dat het lichaam een ​​schoonmaakproces activeert om verschillende afvalproducten in de cellen te verwijderen. In ons onderzoek hebben we bewezen dat hetzelfde mechanisme, dat ook in het plantenrijk bestaat, een cruciale rol speelt in het vermogen van plantenwortels om te groeien en water en voedingsstoffen op te nemen voor de rest van de plant", legt universitair docent Eleazar Rodriguez van de afdeling Biologie uit. leidde het onderzoek.

Wortels hebben een 'hartslag'

Het is al lang bekend dat auxine, een plantenhormoon, de plantengroei reguleert, inclusief de wortelgroei. Auxine is een brandstof voor een soort ‘hartslag’ die in elke wortelpunt van een plant klopt. Ongeveer elke vier tot zes uur bereiken het auxinegehalte en de hartslag in de wortels van een plant een maximum, waardoor nieuwe wortels gaan groeien.

"De beweging van een wortel lijkt bijna op het kijken naar een slang die naar voren glijdt op zoek naar water en voedsel in de grond. En we kunnen zien dat de hartslag het sterkst is elke keer dat de wortel kronkelt", zegt Rodriguez.

Maar hoe planten hun hartslag controleren om de wortelgroei te optimaliseren, is een onbeantwoorde vraag gebleven. Dit is waar het interne reinigingsmechanisme van de fabriek in beeld komt.

‘In onze experimenten hebben we het opruimmechanisme uitgeschakeld om de betekenis ervan te begrijpen. Stel je voor dat elke vuilnisman in Kopenhagen zou staken – het zou niet lang meer duren voordat afval de straten vulde. Hetzelfde gebeurde in de plantencellen, toen de hartslagen die de wortelgroei aandrijven, werden veel zwakker en raakten niet meer synchroon", legt Rodriguez uit.

Hierdoor konden de onderzoekers concluderen dat het schoonmaakmechanisme helpt de niveaus van verschillende biochemische componenten in perfecte balans te houden om de meest efficiënte wortelgroei te garanderen.

Kan nieuwe klimaatbestendige gewassen helpen ontkiemen

Volgens de onderzoekers kan de nieuwe kennis over plantenwortels van belang zijn in de strijd tegen klimaatverandering. Lange perioden van droogte en overstromingen zijn een nieuwe norm die hogere eisen stelt aan de voedselzekerheid. Zo komen de wortels van de gewassen, die ook in deze barre omstandigheden moeten kunnen groeien.

“Er zijn tegenwoordig talloze methoden beschikbaar om de genetische kenmerken van planten te veranderen. Deze kunnen worden gebruikt om planten sneller langere wortels te laten ontwikkelen en daardoor beter bestand te worden tegen droogtes of overstromingen. Eén van de methoden roept de hulp in van bacteriën die in symbiose leven met de plant en ervoor kunnen zorgen dat de plant zijn groeipatroon verandert. Verschillende bedrijven in Denemarken werken hier momenteel aan", legt Ph.D. student Jeppe Ansbøl die co-auteur was van het onderzoek.

De nieuwe kennis geldt voor alle bloeiende planten en misschien wel voor meer, aldus de onderzoeker. In principe zouden gewassen als tomaten, aardappelen, rijst, tarwe en maïs kunnen worden aangepast om meer en dichtere wortels te laten groeien, omdat we nu weten hoe planten hun wortels laten groeien.

"Hoe meer wortels de planten hebben, hoe meer water en voedingsstoffen ze kunnen opnemen, waardoor de planten sneller beter groeien. We zijn sterk afhankelijk van planten omdat ze ons voeden en CO₂ extraheren. uit de atmosfeer en produceren de zuurstof die we inademen. Als zodanig is het uiterst belangrijk om ze volledig te begrijpen, en met dat doel hebben we zojuist een grote stap voorwaarts gezet", besluit Rodriguez.

Waardoor de afvalverzamelaars in de cellen gaan staken

Autofagie betekent ‘zelfetend’ en is een belangrijk mechanisme wanneer planten wortels ontwikkelen. Om de betekenis van autofagie te onderzoeken, ontwikkelden de onderzoekers een gemuteerde Arabidopsis-plant (zandraket) waarbij de autofagie was uitgeschakeld.

Tegelijkertijd maakten ze het ARF7-eiwit luminescerend, het eiwit dat de auxinereacties regelt en dat de afvalverzamelaars van de plantencel opruimen om voor optimale wortelgroei te zorgen. De afvalverzamelaars van de fabriek verzamelen afval uit de cellen en transporteren dit naar een soort recyclingstation in de fabriek, een zogenaamde vacuole.

"Toen we de autofagie van de plant verstoorden, was er overal afval en konden we het ARF7-eiwit tussen het afval detecteren", zegt Rodriguez.

Meer informatie: Elise Ebstrup et al, NBR1-gemedieerde selectieve autofagie van ARF7 moduleert wortelvertakking, EMBO-rapporten (2024). DOI:10.1038/s44319-024-00142-5

Journaalinformatie: EMBO-rapporten

Aangeboden door Universiteit van Kopenhagen