Theoretisch biologen ontrafelen mutatiepuzzel

Hoe vaatweefsel van planten verandert in gatenkaas

Vaatweefsel plant
iStock

Theoretisch biologen hebben een bijzondere puzzel opgelost in het vaatweefsel van planten. Twee verschillende mutaties die een tegengesteld effect hebben, bleken beide tot dezelfde uitkomst te leiden. De Utrechtse theoretisch bioloog Kirsten ten Tusscher laat zien hoe zowel versneld als vertraagd auxine-transport door de vaatweefsels leidt tot een soort gatenkaaspatroon in de aanleg van nieuwe vaatcellen. Samen met Zwitserse experimenteel plantenbiologen publiceerde ze de bevindingen in Nature Communications.

Het vaatweefsel van planten transporteert allerlei stoffen. Het zogeheten xyleem transporteert water en nutriënten omhoog naar de bladeren; het floëem transporteert suikers en het plantenhormoon auxine omlaag naar de wortels. Mutaties in genen betrokken bij de aanleg van vaatcellen hebben een groot effect op het transport en daardoor ook groei van de plant, maar hoe deze genen en mutaties werken was nog erg onduidelijk.

Theoretisch bioloog Kirsten ten Tusscher en de experimenteel biologen in Lausanne stonden voor een paradoxaal verschijnsel: twee mutaties die in principe een tegengesteld effect moeten hebben, leiden toch tot dezelfde uitkomst. “De ene mutatie laat het plantenhormoon auxine harder uit cellen stromen en de andere mutatie juist minder hard”, vertelt hoogleraar Computational Developmental Biology Kirsten ten Tusscher. “Toch leiden beide mutaties tot eenzelfde soort gatenkaaspatroon in de vaatcellen.”

auxine
Schematische weergave van vaatcellen in ontwikkeling. Links het ongemuteerde type, middenin de mutant met te snelle doorstroom van auxine, rechts de mutant met de langzame doorstroom van auxine. Zowel in het midden als rechts vallen gaten (rood)

Gatenkaaspatroon
Ook dat gatenkaaspatroon zelf is opmerkelijk. Het plantenhormoon auxine is nodig om vaatcellen de goede vorm en functie te geven. “Maar door de mutaties is het niet zo dat er geen vat of teveel vaten ontstaan”, zegt Ten Tusscher. “Er vormt gewoon één vat, maar wel met om de zoveel cellen onderbrekingen van gemiddeld twee cellen groot.”

Ten Tusscher simuleerde in dit onderzoek de auxinestromen in een model. Daarmee laat ze zien dat de mutatie die leidt tot vertraging van het auxinetransport, zorgt voor een "verkeersopstopping" van auxine bovenaan het vat. Daardoor gaat er te weinig auxine naar beneden, waar de nieuwe cellen ontstaan. De andere mutatie, die leidt tot een versnelling, zorgt ervoor dat auxine "plankgas" voorbij komt. Daardoor blijft er niet genoeg auxine rondhangen in de cellen onderin. Ondanks het tegengestelde effect op auxinetransport, leiden beide mutaties dus tot een tekort aan auxine onderin het vat.

Dit werk onderstreept het belang van modellen bij het ontrafelen van paradoxale uitkomsten

In volgende modellen toont Ten Tusscher ook aan dat het gatenpatroon ontstaat door concurrentie om auxine tussen vaatcellen onderling, wanneer er een auxinetekort is. Door een zelfversterkend effect slagen sommige vaatcellen erin steeds meer auxine op te nemen, en concurreren daarmee hun buurcellen weg. Ook tonen modellen van celgroei en celdeling aan dat het precieze gatenpatroon allesbehalve random is, zoals altijd werd gedacht.

“We begrijpen nu veel beter hoe het maken van vaatweefsel werkt en waarom mutaties in de onderzochte genen zo’n dramatisch effect hebben”, zegt Ten Tusscher. “Ook onderstreept dit werk het belang van modellen bij het ontrafelen van paradoxale uitkomsten, zoals tegengestelde mutaties met dezelfde effecten, of ruimtelijke patronen waarvan het onduidelijk is waar ze vandaan komen.”

Local auxin competition explains fragmented differentiation patterns. Nature Communications, 11 juni. Bernard Moret, Petra Marhava, Ana Cecilia Aliaga Fandino, Christian S. Hardtke & Kirsten H. W. ten Tusscher*

*Verbonden aan de Universiteit Utrecht