Computermodel van wortelgroei kan leiden tot duurzamere teelt

De groei van plantenwortels blijkt verrassend goed te verklaren met een nieuw computermodel, dat een completer en realistischer beeld geeft dan eerdere modellen. Het model kan helpen om planten te kweken die toekunnen met minder bemesting, bewatering en pesticiden. Een internationaal team van biologen werkte aan het model. Ze publiceren hun resultaten deze week in het vakblad Developmental Cell.

Trek je een plant met wortel en al uit de grond, dan lijkt de kluwen met plantenwortels vaak een wirwar van draden. Toch groeien de wortels in principe volgens een vast patroon: een hoofdwortel groeit naar beneden, waarbij met een bepaalde regelmaat zijwortels ontstaan. Door verschillende hoeveelheden voedingsstoffen en water in de bodem, ontstaat uiteindelijk toch veel variatie in wortelstelsels. De vraag die biologen graag willen beantwoorden is hoe het regelmatige patroon van zijwortels ontstaat, en waarom sommige cellen een zijwortel vormen.

Met een nieuw computermodel kunnen onderzoekers de groei beter in kaart brengen en voorspellen. Het model werd ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit Utrecht. Samen met collega’s van Wageningen University & Research en de Universiteit Gent toonden ze vervolgens aan dat voorspellingen die het model deed correct zijn.

Het nieuwe computermodel biedt een veel completer en meer realistisch beeld

Voordat de onderzoekers van start gingen, waren al computermodellen en hypotheses in omloop die verklaarden waar langs de hoofdwortel uiteindelijk zijwortels ontstaan. “Al die modellen rammelden een beetje”, zegt Kirsten ten Tusscher, die het onderzoek naar het nieuwe model leidde. “Ze klopten allemaal niet volledig met de resultaten die voortvloeien uit experimenten met echte planten.” Het model van Ten Tusscher en collega’s biedt nu een veel completer en meer realistisch beeld.

Golfpatroon van hormonen

Dankzij het nieuwe model wordt duidelijk hoe zijwortels ontstaan vanuit de hoofdwortel, onder invloed van het plantenhormoon auxine. Als een hoofdwortel van een plant groeit, verandert in de punt van de wortel regelmatig de hoeveelheid van dat hormoon. De cellen ontstaan op het moment dat de concentratie van het hormoon hoog is, ‘onthouden’ dat als het ware. Die cellen kunnen later, als de omstandigheden gunstig zijn, uitgroeien tot een zijwortel. De cellen die lagere concentraties van het hormoon hebben ervaren, ontwikkelen dat vermogen niet.

Tot in detail

In het nieuwe model worden die stappen, en alles wat daarbij komt kijken, tot in detail gesimuleerd. Ten Tusscher: “In ons model hebben we zo gedetailleerd ingebouwd hoe de wortel eruitziet en hoe het auxine-hormoon wordt getransporteerd. Het model bevat ook de details van het groeiproces, waar de stamcellen zich bevinden, evenals de cellen die snel delen, de cellen die stoppen met delen, of zich uitstrekken. Het model laat zien wat de gevolgen zijn van al die processen die op elkaar aangrijpen.”

Ons model gaf automatisch wat al die eerdere modellen probeerden te bereiken.

Tot verrassing van Thea van den Berg, die als promovendus het leeuwendeel van het modelonderzoek uitvoerde, ontstond in het model vanzelf het golfpatroon van het plantenhormoon en de zijwortels. “Toen hadden we het gewoon!”, zegt Ten Tusscher. “Ons model gaf automatisch wat al die eerdere modellen probeerden te bereiken. En ook meteen op de goede plek, met de juiste cellen en de juiste hoeveelheden. Dat was natuurlijk fantastisch!”

Nadat de onderzoeken hadden doorgrond hoe de golfpatronen ontstonden, gingen ze aan de slag om met experimenten te controleren of de voorspellingen uit het model correct zijn. Dat bleek na vele maanden van herhaaldelijke proeven het geval te zijn.

Planten kweken met geschikt wortelstelsels

Het grotere begrip van wortelgroei maakt het volgens de onderzoekers mogelijk om in de toekomst gerichter gewassen te kweken, met wortelstelsels die beter aansluiten bij de omstandigheden of wensen van een teler. Zulke gewassen kunnen dan bijvoorbeeld toe met minder mest, pesticiden of bewatering.

Met meer kennis van wortelgroei moet het mogelijk zijn om gewassen te kweken die toekunnen met minder mest, pesticiden en water.

Gewassen kunnen zich enigszins aanpassen aan hun omgeving, en dus ook hun wortels, maar kunnen daarbij soms ook hulp gebruiken voor een grotere opbrengst. Als de bodem bijvoorbeeld te weinig fosfaat heeft, blijft de hoofdwortel korter en groeien de zijwortels horizontaal. De reden daarvoor is dat fosfaat redelijk dicht onder het oppervlak zit. De plant heeft baat bij meer wortels in buurt van het schaarse fosfaat, en om al de wortels ook zoveel mogelijk bij het oppervlak houden.

Aan de andere kant zit bijvoorbeeld nitraat juist laag in de bodem. Is de hoeveelheid nitraat beperkt, dan wordt de wortel juist heel diep, met een beperkt aantal lange steile zijwortels.

Plantgedrag optimaliseren in gewassen

“We willen dit ‘gedrag’ van planten heel graag begrijpen, om het verder te kunnen optimaliseren in gewassen”, zegt Ten Tusscher. De onderzoeker raadt aan om daarbij wel de uitgangspunten van het nieuwe model te hanteren. “Vaak zoeken biologen naar afzonderlijke verklaringen voor veranderingen in de lengte van de hoofdwortel en in het aantal zijwortels. Maar ons model laat zien dat verandering in de groei van de hoofdwortel automatisch leidt tot veranderingen in het aantal zijwortels. Deze eigenschappen moet je dus ook in combinatie onderzoeken.”