Moleculaire atlas om gewassen beter te beschermen tegen droogte

Sluitstuk van tien jaar onderzoek naar de genetica van plantenwortels

Dankzij nieuwe genetische kennis moet het mogelijk zijn om gewassen als tomaat en rijst beter bestand te maken tegen droogte. Een team van biologen bouwde jarenlang deze kennis op, en bundelt die nu tot een moleculaire atlas van plantenwortels.

Na meer dan tien jaar onderzoek presenteert een internationaal onderzoeksteam een moleculaire atlas van plantenwortels. In hun atlas wijzen ze genen aan die voor andere wetenschappers een vertrekpunt kunnen vormen om planten te beschermen tegen droogte en andere ongunstige omstandigheden. Het team richtte zich op plantenwortels, omdat dit het gedeelte is waar een plant de gevolgen van droogte het eerst detecteert.

Dankzij de atlas, die werd gepubliceerd in het vakblad Cell is het mogelijk om wortelfuncties tot in ongekend detail te doorgronden. “Met deze atlas krijgen we enorm veel inzicht in wat een plantencel definieert en wat zijn genetische fundamenten zijn”, zegt Kaisa Kajala, bioloog aan de Universiteit Utrecht.

Met deze atlas krijgen we enorm veel inzicht in wat een plantencel definieert en wat zijn genetische fundamenten zijn

Het onderzoek leidt tot meer inzicht in genen die de plant dicteren om een aantal cruciale onderdelen te produceren. Een daarvan is weefsel genaamd xyleem. Dit weefsel bestaat uit holle vezels die water transporteren vanuit de wortel helemaal naar de scheuten. Vanwege die transportfunctie is xyleem een belangrijk onderdeel om planten bestendig te maken tegen droogte.

Nu de genen achter de vochtbarrière zijn opgehelderd, kunnen onderzoekers aan de slag om de buitenlagen van planten te versterken

Grondstof voor kurk

De tweede serie genen die het team ontdekte, reguleert hoe de buitenste laag van een plant de stoffen lignine en suberine produceert. Suberine is een waterafstotende stof, en staat bekend als een belangrijk bestanddeel van kurk. Het voorziet plantencellen van een dikke waterafstotende laag die water binnenhoudt tijdens droogte. Bij tomaten, rijst en andere gewassen is suberine in de wortel te vinden, en bij appels en ander fruit in de buitenlaag van de vrucht. Lignine maakt eveneens plantencellen waterafstotend, en geeft daarnaast extra stevigheid.

Nu de genen die deze vochtbarrière reguleren zijn opgehelderd, kunnen onderzoekers aan de slag om de buitenlagen van planten te versterken, aldus het biologenteam.

Breed toepasbaar

Hoewel de onderzoekers slechts drie plantensoorten bestudeerden, vermoeden ze dat hun resultaten bij veel meer gewassen toepasbaar zijn. Ze deden bijvoorbeeld een bijzondere ontdekking rondom genen die coderen voor het zogeheten meristeem van plantenwortels, ofwel groepen stamcellen waarmee planten kunnen aangroeien. Het team ontdekte dat de meristeem-genen opvallend veel gelijkenissen vertonen tussen verschillende soorten planten, waaronder tomaten, rijst en de zandraket (Arabidopsis thaliana), een plantje dat door biologen vaak wordt gebruikt als model-organisme.

Als je het meristeem van plantenwortels kunt aanpassen, dan kun je gewassen ontwikkelen met meer gewenste eigenschappen

Kennis hierover kan volgens de onderzoekers helpen om betere wortelsystemen te ontwikkelen, en dus betere gewassen. “Als je eenmaal het meristeem van plantenwortels kunt aanpassen, dan kun je gewassen ontwikkelen met meer gewenste eigenschappen”, zegt bioloog Siobhan Brady, die het onderzoek leidde vanuit de University of California in Davis.

De verborgen helft van de plant

De onderzoekers wijzen erop dat telers zich nu nog vooral richten op eigenschappen die ze kunnen zien, bijvoorbeeld grotere en mooiere vruchten. Het is een stuk moeilijker om selectief te kweken op eigenschappen die zich onzichtbaar onder de grond bevinden. “Toch zouden telers juist rekening moeten houden met die onzichtbare helft van een plant”, aldus Brady.

Toekomstig onderzoek

“Dit onderzoek aan gewassen was bijzonder tijds- en arbeidsintensief”, zegt Kajala. “Maar het opent veel deuren, zowel voor toepassingen als voor nieuw onderzoek.”

Dit onderzoek was bijzonder tijds- en arbeidsintensief, maar het opent veel deuren, zowel voor toepassingen als voor nieuw onderzoek

“Mijn eigen onderzoek wil ik uitbreiden naar nog meer plantensoorten, zodat ik kan kijken hoe de werking van suberine en lignine is geëvolueerd. In het bijzonder kijk ik dan naar deze stoffen in de beschermende buitenlaag van de plantenwortel.” Voor dit onderzoek verwierf Kajala in 2020 een Vidi-subsidie van NWO.

Publicatie

Innovation, conservation, and repurposing of gene function in root cell type development

Cell, 18 mei 2021 DOI: 10.1016/j.cell.2021.04.024

Kaisa Kajala*, Mona Gouran, Lidor Shaar-Moshe, G. Alex Mason, Joel Rodriguez-Medina, Dorota Kawa, Germain Pauluzzi, Mauricio Reynoso, Alex Canto-Pastor, Concepcion Manzano, Vincent Lau, Mariana A.S. Artur, Donnelly A. West, Sharon B. Gray, Alexander T. Borowsky, Bryshal P. Moore, Andrew I. Yao, Kevin W. Morimoto, Marko Bajic, Elide Formentin, Niba A. Nirmal, Alan Rodriguez, Asher Pasha, Roger B. Deal, Daniel J. Kliebenstein, Torgeir R. Hvidsten, Nicholas J. Provart, Neelima R. Sinha, Daniel E. Runcie, Julia Bailey-Serres, Siobhan M. Brady

*: Onderzoeker aan de Universiteit Utrecht