26 juni 2017

Publication in PNAS

Oog-plant coördinatie bepaald door het oog

Planten zijn zonaanbidders en schaduw-mijdend. Zodra een blad schaduw ‘ziet’, richt het zijn punt omhoog, laat het de steel verder naar het licht toegroeien of doet van allebei een beetje. Die coördinatie tussen het ‘oog’ en de reactie van de plant was nog verrassend onbegrepen, merkte een team van Utrechtse en Wageningse onderzoekers toen zij computersimulaties van plantengroei verder wilden ontwikkelen. Plantbiologen van de Universiteit Utrecht hebben die schaduwreactie nu stapje voor stapje weten te ontrafelen. Hun gezamenlijke resultaten zijn 26 juni gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift PNAS.

“Vanwege de sterk groeiende wereldbevolking moeten we hard werken aan een steeds efficiëntere landbouw”, licht onderzoekersleider prof. Ronald Pierik van de Universiteit Utrecht het onderzoek toe. “Daarom willen we weten hoe we gewassen maximaal kunnen laten groeien bij hoge plantdichtheden, maar dan concurreren planten met elkaar om licht.  Door de combinatie van ons moleculaire plantenonderzoek met de Wageningse simulatiemodellen, kunnen we voorspellen wat wel en wat niet zal werken.”

Oog-plant coördinatie bepaald door het oog

Fundamentele kennis ontbrak

Toen de onderzoekers hun simulatiemodel wilden uitbreiden met schaduwwerking, ontdekten zij dat fundamentele kennis over waarneming van licht door planten ontbrak. Bekend was dat planten reageren op overschaduwing doordat zij de verhouding tussen ‘rood’ en ‘verrood’  licht waarnemen. Rood licht is essentieel voor de fotosynthese. Meer verrood licht betekent schaduw. “Maar waar de plant precies die lichtkleuren waarneemt en verwerkt, wisten we nog niet”, aldus Pierik. “Uit ons onderzoek blijkt nu dat het waarnemen in alle delen van de plant gebeurt, maar dat de reactie daarop nogal verschilt.”

Het ‘oog’ bepaalt

Meer verrood licht op de punt van het blad zorgt dat dit blad omhoog beweegt, terwijl het op de steel alleen leidt tot een sterke lengtegroei van die steel. Daartussen treden beide reacties op: de steel groeit een beetje en de bladpunt beweegt een stukje omhoog. Het ‘oog’ bepaalt dus hoe de plant reageert. Dat leidde weer tot nieuwe vragen. Waarom die verschillende reacties, afhankelijk van waar de kleurverandering wordt waargenomen? En hoe zorgt een plant dat een kleurverandering leidt tot een reactie ergens anders in de plant?

Verklarend model

Om de verschillen in reacties te verklaren, ontwikkelden de onderzoekers een model dat ze zowel testten met planten als in simulaties. Het verrood alarmsignaal van de bladsteel bleek bij lage plantdichtheden onnodige bladbewegingen te veroorzaken, die juist tot minder invang van rood licht leidden, terwijl de reactie bij hoge dichtheden te laat kwam om de schaduw te vermijden. Verrood informatie van de bladpunt daarentegen bleek voor bijna alle plantendichtheden de nabijheid van buurpanten zeer goed te voorspellen. De bladpunt is dus de optimale locatie voor de ‘oog-bladcoördinatie’ als bladbeweging nodig is.

Cruciale rol voor auxine

Vervolgens vroegen de onderzoekers zich af hoe de waarneming van de kleurverandering leidt tot het omhoog bewegen van een bladpunt of het groeien van een steel. Hun onderzoek bevestigt het vermoeden dat het hormoon auxine hierbij een cruciale rol speelt. Zo blijkt veel verrood licht op de bladpunt te leiden tot veel aanmaak van het hormoon in die bladpunt. Vervolgens gaat het auxine op reis in de plant, om de noodzakelijke reacties in gang te zetten.   

Zo effectief mogelijk

“Al deze inzichten zijn door promovendus Franca Bongers verwerkt in haar simulatiemodellen. Daaruit blijkt dat dit voor planten inderdaad de beste manier is om zo effectief mogelijk te reageren op buurplanten bij hoge plantdichtheden”, aldus Pierik. Bongers promoveert op dinsdag 4 juli in Wageningen.

Foto en simulatie

Beeld van de auxine reactie in planten in verschillende omstandigheden: Linksboven: geen aanpassingen in het licht; rechtsboven, witte pijl: verrood licht op de bladpunt; linksonder: verrood licht op de hele plant; rechtsonder: het effect van externe toediening van auxine aan de bladpunt.

Video: Simulatie van de twee uiterste reacties van een plant op schaduw. De groene planten gebruiken het verrood-signaal van hun bladpunt om hun bladeren op te richten. De rode planten gebruiken het verrood-signaal van hun bladsteel om hun blad op te richten.

 

Dit onderzoek is mede-gefinancierd door NWO: Open Competitie Grant prof. Niels Anten (Universiteit Wageningen), Graduate School Tuinbouw en Uitgangsmaterialen Grant prof. Ronald Pierik & Jesse Küpers MSc en VIDI Grant prof. Ronald Pierik (beiden Universiteit Utrecht).

Publicatie

‘Neighbor detection at the leaf tip adaptively regulates upward leaf movement through spatial auxin dynamics’
Chrysoula Pantazopoulou1, Franca Bongers1,2, Jesse Küpers1, Emilie Reinen1, Debatosh Das1, Jochem Evers2, Niels Anten2, Ronald Pierik1
1 verbonden aan de Universiteit Utrecht, 2 verbonden aan Wageningen Universiteit
PNAS, 26 juni 2017

Achtergrondinformatie

Future Food Utrecht

Dit onderzoek maakt deel uit van Future Food Utrecht, een multidisciplinair programma waarin 25 onderzoeksgroepen samenwerken aan de maatschappelijke uitdagingen op het gebied van voedsel.

Contact

Monica van der Garde, persvoorlichter faculteit Bètawetenschappen, m.vandergarde@uu.nl, 06 13 66 14 38.