Nog maar weinig is bekend over de beschermende laag van plantenwortels

Bioloog Kaisa Kajala doet onderzoek aan het ontstaan van de exodermis, een beschermend laagje in de wortels van bloemplanten. Met de Vidi-beurs van 800.000 euro die ze in november ontving, wil ze peulvruchten kweken die bestand zijn tegen klimaatverandering en tegelijkertijd zelf klimaatverandering tegengaan.

Van oorsprong komt Kaisja Kajala uit Finland. “Maar ik woon er al niet meer sinds ik mijn middelbare school afrondde. Ik ben meteen aan Cambridge gaan studeren en heb daar mijn bachelor en mijn PhD gedaan. Een masteropleiding heb ik niet: aan Cambridge hoef je die voor de meeste richtingen van biologie niet te doen als je direct doorstroomt naar een PhD. Je eerste PhD-jaar staat dan gelijk aan een master.”

Vervolgens werkte Kajala vijf jaar als postdoc aan de University of California Davis. “Daar bestudeerde ik de genexpressie in wortels van tomatenplanten. We hebben transgene markerlijnen ontwikkeld om de genexpressie in elk celtype in de wortels van de tomatenplant te kunnen bestuderen. Daarmee kun je bijvoorbeeld vaststellen hoe elke cel reageert op milieufactoren zoals droogte.” Met een zekere trots: “We hebben een atlas gemaakt voor genexpressie in de wortel.”

We weten nog maar weinig over de exodermis die in 80% van de bloemplanten aanwezig is, doordat onze modelplant Arabidopsis geen exodermis heeft.

Verliefd

Aan UC Davis werd Kajala, zo vertelt ze, “verliefd” op één bepaald celtype van de tomatenwortel: de exodermis. “Deze cellen vormen een laagje, vlak onder de buitenste cellen van de wortel. De exodermiscellen scheiden de twee lange moleculen suberine en lignine uit, de belangrijkste componenten van respectievelijk kurk en hout. Samen vormen die een beschermende barrière.”

De tomaat, net als 80% van alle bloemplanten, heeft een exodermis. “Maar we weten er maar weinig over en dat komt doordat de modelplant Arabidopsis er geen een heeft. Dieper naar binnen zit een vergelijkbare laag die alle planten wel hebben, de endodermis. Lange tijd gingen biologen ervan uit dat de exodermis in bloemplanten dezelfde functie en vergelijkbare genen heeft als de endodermis in planten waar die exodermis afwezig is. Inmiddels weten we dat we verrassend weinig kennis over de endodermis direct kunnen vertalen naar de exodermis. De endodermis van Arabidopsis is toch beter vergelijkbaar met de endodermis van de tomatenplant.”

Zuurstof naar de wortel

De exodermis beschermt plantenwortels tegen hun omgeving in de bodem. “Eigenlijk tegen alles: tegen droogte en zout door water in de wortel te houden, tegen giftige stoffen en ziekteverwekkers.” Verschillende plantgroepen zetten hun exodermis verder op verschillende manieren in. “Rijst gebruikt de ruimte tussen de endodermis en de exodermis bijvoorbeeld om zuurstof helemaal van de bladeren naar de worteluiteinden te vervoeren en de exodermis zorgt ervoor dat zuurstof niet naar de bodem kan ontsnappen.”

Kajala wil de moleculaire veranderingen begrijpen die ten grondslag liggen aan de functie en het ontstaan van de exodermis. “Daarom ga ik de komende vijf jaar, samen met een postdoc en een promovendus, een hele serie peulvruchtplanten vergelijken. Bij hen lijkt de evolutie van de exodermis, op basis van hun genetische codes, in stapjes te zijn gebeurd. Als we een genetische regulator kunnen vinden voor de exodermis, kunnen we de planten met de juiste genen voor sterkere exodermisbarrières gaan opkweken.”

Klimaatverandering

Het werk biedt dan ook perspectief voor de aanpassing van planten aan klimaatverandering en het meer voorkomen van droogte en overstromingen. “Gewassen kweken die beter tegen zulke situaties bestand zijn, kan ons helpen in onze toekomstige voedselvoorziening. Veel van de modelplanten van dit Vidi-werk, peulvruchten, kunnen een bron zijn van plantaardige eiwitten: soja, bonen, erwten en linzen. Dat vergemakkelijkt de vertaling van het onderzoek naar toepassingen.”

Interessant genoeg heeft de exodermis volgens Kajala ook de potentie om zelf klimaatverandering tegen te gaan. “De stoffen suberine en lignine, die de exodermisbarrière vormen, behoren tot de langzaamst afbreekbare materialen in de bodem. Dat maakt die barrières heel geschikt om koolstof in de bodem mee op te slaan. Daardoor kan het mogelijk zijn om atmosferische koolstof te verminderen door koolstof in de bodem vast te leggen via planten met een sterke exodermisbarrière.”