Het verbazingwekkende systeem dat planten gebruiken om hun wortels te

Het verbazingwekkende systeem dat planten gebruiken om hun wortels te vormen en waarom het zou kunnen helpen gewassen te beschermen tegen klimaatverandering

lewan/Shutterstock

Planten hebben het overgrote deel van het aardoppervlak gekoloniseerd. Dus wat is de sleutel tot hun succes?

Mensen denken vaak aan planten als eenvoudige, zinloze levensvormen. Ze leven misschien geworteld op één plaats, maar hoe meer wetenschappers over planten leren, hoe complexer en reactiever ze zijn. Ze kunnen zich uitstekend aanpassen aan plaatselijke omstandigheden. Planten zijn specialisten, die het beste maken van wat zich in de buurt bevindt van waar ze ontkiemen.

Leren over de fijne kneepjes van het plantenleven is echter meer dan mensen verwonderen. Het bestuderen van planten is ook bedoeld om ervoor te zorgen dat we in de toekomst nog gewassen kunnen verbouwen als het weer door de klimaatverandering steeds extremer wordt.

Omgevingssignalen bepalen de groei en ontwikkeling van planten. Veel planten gebruiken bijvoorbeeld de lengte van de dag als signaal voor de bloei. De verborgen helft van planten, de wortels, gebruiken ook signalen uit hun omgeving om ervoor te zorgen dat hun vorm optimaal is om naar water en voedingsstoffen te zoeken.

Wortels beschermen hun planten tegen stress zoals droogte door hun vorm aan te passen (vertakkingen om hun oppervlakte te vergroten, bijvoorbeeld) om meer water te vinden. Maar tot voor kort begrepen we niet hoe wortels voelen of er water beschikbaar is in de omringende grond.

Water is de belangrijkste molecule op aarde. Te veel of te weinig kan een ecosysteem vernietigen. De verwoestende gevolgen van de klimaatverandering (zoals onlangs in Europa en Oost-Afrika) zorgen ervoor dat zowel overstromingen als droogteperiodes vaker voorkomen. Aangezien regenpatronen door de klimaatverandering steeds grilliger worden, is het van vitaal belang om te leren hoe planten reageren op een tekort aan water om gewassen weerbaarder te maken.

Wortel schieten

Ons team van planten- en bodemwetenschappers en wiskundigen heeft onlangs ontdekt hoe plantenwortels hun vorm aanpassen voor een maximale wateropname. Wortels vertakken zich normaal gesproken horizontaal. Maar ze stoppen met vertakken wanneer ze het contact met water verliezen (zoals groeien door een met lucht gevuld gat in de bodem) en wortels gaan pas weer verder met vertakken wanneer ze weer in contact komen met vochtige grond.

Ons team ontdekte dat planten een systeem gebruiken dat hydrosignalering heet, om te bepalen waar wortels zich vertakken in reactie op de beschikbaarheid van water in de bodem.

Ochtenddauw op aartjes van gerst, jonge gerst in het veld badend in dauw en ochtendzonlicht

Gerst gebruikt hydrosignalen om wortelstructuur te vormen.
Bildagentur Zoonar GmbH/Shutterstock

Hydrosignalering is de manier waarop planten voelen waar water is, niet door direct het vochtgehalte te meten, maar door andere oplosbare moleculen te voelen die met het water meebewegen binnen planten. Dit is alleen mogelijk omdat (in tegenstelling tot dierlijke cellen) plantencellen met elkaar verbonden zijn door kleine poriën.

Door deze poriën kunnen water en kleine oplosbare moleculen (waaronder hormonen) samen bewegen tussen wortelcellen en weefsels. Wanneer water door de plantenwortel wordt opgenomen, reist het door de buitenste epidermale cellen.

De buitenste wortelcellen bevatten ook een hormoon dat vertakking bevordert, genaamd auxine. De wateropname zet de vertakking in gang door auxine naar binnen te mobiliseren, naar het binnenste wortelweefsel. Wanneer er van buitenaf geen water meer beschikbaar is, bijvoorbeeld wanneer een wortel door een met lucht gevuld gat groeit, heeft de wortelpunt nog steeds water nodig om te groeien.

Dus wanneer wortels geen water uit de grond kunnen opnemen, zijn ze aangewezen op water uit hun eigen aderen diep in de wortel. Dit verandert de richting van de waterbeweging, waardoor het nu naar buiten beweegt, wat de stroom van het vertakkingshormoon auxine verstoort.

De plant maakt ook een anti-vertakkingshormoon, ABA genaamd, aan in de worteladers. ABA beweegt ook mee met de waterstroom, in de tegenovergestelde richting van auxine. Dus wanneer de wortels water aanzuigen uit de aderen van de plant, trekken de wortels ook het anti-vertakkingshormoon naar zich toe.

ABA stopt het vertakken van wortels door alle kleine poriën die de wortelcellen met elkaar verbinden af te sluiten – een beetje zoals de deuren van een schip. Dit sluit wortelcellen van elkaar af en stopt de vrije beweging van auxine met water, waardoor de vertakking van de wortels wordt geblokkeerd. Met dit eenvoudige systeem kunnen plantenwortels hun vorm afstemmen op de plaatselijke wateromstandigheden. Het heet xerobranching (uitgesproken als zerobranching).

Flower power

Uit onze studie bleek ook dat de wortels van een plant een soortgelijk systeem gebruiken om waterverlies te beperken als de scheuten. Bladeren stoppen waterverlies tijdens droogte door microporiën, huidmondjes genaamd, op hun oppervlak te sluiten. Het sluiten van de huidmondjes wordt ook geactiveerd door het hormoon ABA. Op dezelfde manier vermindert ABA in wortels waterverlies door nanoporiën, plasmodesmata genaamd, te sluiten die elke wortelcel met elkaar verbinden.

microscopisch beeld van huidmondjes op bladeren

Blad huidmondjes onder de microscoop.
Barbol/Shutterstock

Wortels van tomaat, tuinkers, maïs, tarwe en gerst reageren allemaal op deze manier op vocht, ondanks hun ontwikkeling in verschillende bodems en klimaten. Tomaten zijn bijvoorbeeld ontstaan in een Zuid-Amerikaanse woestijn, terwijl thale cress uit gematigde gebieden in Centraal-Azië komt. Dit wijst erop dat xerobranching een gemeenschappelijk kenmerk is van bloeiende planten, die meer dan 200 miljoen jaar jonger zijn dan niet-bloeiende planten zoals varens.

Wortels van varens, een vroeg evoluerende landplantensoort, reageren niet op deze manier op water. Hun wortels groeien gelijkmatiger. Dit suggereert dat bloeiende soorten zich beter kunnen aanpassen aan waterstress dan vroegere landplanten zoals varens.

Bloeiende planten kunnen een breder scala van ecosystemen en omgevingen koloniseren dan niet-bloeiende soorten. Gezien de snelle veranderingen in neerslagpatronen over de hele wereld, is het vermogen van planten om een breed scala van bodemvochtomstandigheden waar te nemen en zich daaraan aan te passen nu belangrijker dan ooit.

Het Gesprek

Malcolm Bennett ontvangt financiering van de UK Research Council BBSRC en ontvangt EU MCSA en EMBO fellow Poonam Mehra.

Poonam Mehra ontvangt financiering van EMBO en Horizon 2020.