Doorbraak in begrip van groei en ontwikkeling plant

Onderzoekers van de groep Theoretische Biologie & Bioinformatica aan de Universiteit Utrecht hebben samen met collega’s uit Wageningen en Helsinki ontdekt hoe planten snel kunnen reageren op prikkels, zoals zwaartekracht of licht, en tegelijkertijd hun structuur behouden. Het gaat om een belangrijke fundamentele ontdekking, die interessant kan zijn voor de landbouw, aldus de Utrechtse eerste auteur dr. Kirsten ten Tusscher. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Nature.

In de landbouw wordt vanwege de steeds groeiende voedselbehoefte voortdurend gezocht naar mogelijkheden om gewassen te ontwikkelen die meer opbrengen en beter bestand zijn tegen ziekten en het veranderende klimaat. Een goed begrip van de groei en ontwikkeling van de plant zijn essentieel om hierin echt doorbraken te realiseren, aldus de onderzoekers. Dankzij een combinatie van experimenten en computersimulaties is nu voor het eerst duidelijk hoe het hormoon auxine in een samenspel met regeleiwitten de snelle reacties van een plant organiseert met behoud van de structuur. 

Auxine: manusje van alles

Samenspel met regeleiwitten

De groei en ontwikkeling blijken een samenspel van auxine met vier regeleiwitten (transcriptiefactoren) met de verzamelnaam PLETHORA (PLT). Deze regeleiwitten zetten genen aan of uit.

In dit samenspel stuurt auxine de snelle reacties van de plant rechtstreeks aan. Als de richting van de zwaartekracht verandert, buigt een wortel al binnen een paar minuten een andere kant op.
De regeleiwitten beïnvloeden de plaats en de grootte van de zones waarin celdeling, celstrekking en differentiatie plaatsvinden. Dit gebeurt in een veel langzamer tempo.

Computersimulaties essentieel

Hoe die zone-indeling eruit ziet, hangt af van de gradiënt in de concentraties aan PLT’s. “Vroeger dachten we dat die gradiënt rechtstreeks het gevolg was van de auxine-gradiënt. Maar daarmee was de stabiele structuur van de verschillende zones onder snel wisselende omstandigheden niet te verklaren. Nu blijkt dat in het hele proces veel feedbacks en afhankelijkheden zitten. De groei beïnvloedt de gradiënten en die beïnvloeden de groei weer. Veel onderdelen van dit proces hadden we al in beeld, maar nu begrijpen we het totale beeld”, aldus co-auteur prof.dr. Ben Scheres, voorheen hoogleraar aan de Universiteit Utrecht, nu aan Wageningen University.

In het ontrafelen van dit proces speelden de computersimulaties van de Utrechtse biologen een belangrijke rol. “In computermodellen kun je processen die in de echte plant sterk aan elkaar gekoppeld zijn, van elkaar loskoppelen om te onderzoeken wat de rol van de feedback tussen deze processen is”, licht de Utrechtse mede-eerste auteur dr. Kirsten ten Tusscher toe. “Onze modellen zijn essentieel geweest om te laten zien dat de oude ideeën niet konden kloppen en de scheiding tussen langzame en snelle processen duidelijk te krijgen.”

Future Food Utrecht

Het inzicht in dit totale beeld kan bijdragen aan verbeteringen in de veredeling en de teelt van gewassen: “De wortel heeft maar een kleine zone waarin hij zijwortels kan maken. Als je de schakelaars voor die zone-indeling kent, kun je de architectuur veranderen. Zo kom je wellicht tot een plant met een beter en meer productief wortelstelsel”, geeft prof.dr. Ben Scheres als voorbeeld.
Onderzoekers van de Universiteit Utrecht werken samen aan een duurzame voedselvoorziening voor de toekomst in Future Food Utrecht. 

Publicatie

PLETHORA gradient formation mechanism separates auxin responses

Ari Pekka Mähönen, Kirsten ten Tusscher, Riccardo Siligato, Ondřej Smetana, Sara Díaz-Triviño, Jarkko Salojärvi, Guy Wachsman, Kalika Prasad, Renze Heidstra, Ben Scheres
Nature, doi:10.1038/nature13663

Universiteit Utrecht en duurzaamheid

Binnen onderzoek, onderwijs, valorisatie en bedrijfsvoering neemt duurzaamheid een belangrijke plaats in. De universiteit neemt haar maatschappelijke verantwoordelijkheid om in ecologisch, economisch en sociaal opzicht een actieve bijdrage te leveren aan een duurzame samenleving. Ook ziet de Universiteit Utrecht het als onderdeel van haar maatschappelijke taak om studenten en medewerkers bewust te maken van de uitdagingen op het gebied van duurzaamheid, en middels onderzoek bij te dragen aan oplossingen voor deze uitdagingen.

Zie ook: www.uu.nl/duurzaamheid