Plantenhormoon redt gewassen van verdrinkingsdood

Wetenschappers van de Universiteit Utrecht hebben ontdekt hoe planten merken dat ze onder water staan tijdens overstroming, en hoe ze dit signaal gebruiken om te ontsnappen aan een verdrinkingsdood. Jaarlijks gaan vele oogsten verloren doordat landbouwgewassen niet zijn opgewassen tegen overstromingen. In Nature Communications laten de onderzoekers zien dat planten het hormoon ethyleen gebruiken als signaal om overlevingsreacties in gang te zetten, en welke eiwitten en genen daarbij betrokken zijn. Het blootgelegde mechanisme heeft veel potentie om in de toekomst landbouwgewassen beter bestendig te maken tegen overstromingen, en kan hiermee oogsten beschermen in een veranderend klimaat.

Klimaatverandering leidt niet alleen tot droogte en hitte, maar ook tot meer overstromingen. Dat is zeer problematisch voor gewassen. Planten hebben net als mensen zuurstof nodig om te overleven; onderwater stikken ze. In gewasverlies spelen overstromingen dan ook een even grote rol als droogte: een aardappelveld dat onder water loopt is binnen 24 uur verwoest. Gewassen die beter bestand zijn tegen overstromingen kunnen daarmee een wereld van verschil betekenen voor voedselzekerheid en het voorkomen van grote economische verliezen.

Overlevingsreactie

“Als planten merken dat ze overstroomd zijn, kunnen ze processen aanzetten die hun overlevingskansen vergroten. Een strategie is bijvoorbeeld de snorkelrespons, waarbij bladeren en stengels versneld omhoog groeien om het contact met lucht te herstellen. Een andere strategie is het onderdrukken van groei en metabolisme, om zuurstof en energie te sparen tot de overstroming voorbij is”, vertelt eerste auteur Sjon Hartman, moleculair plantenwetenschapper bij  Ecofysiologie van Planten van de Universiteit Utrecht. “Recent hebben we aangetoond dat het gasvormige plantenhormoon ethyleen daar een rol in speelt. Ethyleen hoopt op in de cellen van overstroomde planten en dient zo als overstromingssignaal voor de plant.”

Een plant die vroegtijdig in survival-modus gaat, kan het langer uithouden onder water en dat kan het verschil betekenen tussen leven of dood

De onderzoekers ontrafelen nu met collega’s uit Nijmegen, Denemarken, Verenigd Koninkrijk en Amerika in Nature Communications tot in detail welke biologische reactieketen een overstroming bij planten in gang zet en welke eiwitten en genen daarbij betrokken zijn. Ze laten zien dat ethyleen de overlevingsrespons van planten al vroegtijdig kan aanzetten, nog voordat het zuurstofniveau echt daalt. “Dat is bijzonder nuttig: een plant die vroegtijdig in survival-modus gaat, kan het langer uithouden onder water en dat kan het verschil betekenen tussen leven of dood”, zegt Hartman.

Toekomstbestendige gewassen

Het blootgelegde mechanisme biedt veelbelovende mogelijkheden voor de toekomst. “Nu we weten welke genen en eiwitten betrokken zijn bij het overleven van overstromingen, kunnen we deze ook weer terugbrengen in planten die dit vermogen zijn verloren. Of ervoor zorgen dat planten eerder in overlevingsmodus gaan”, zeggen onderzoeksleiders Dr. Rashmi Sasidharan en Prof. Rens Voesenek van de Universiteit Utrecht. “Daarmee kunnen we toekomstbestendige gewassen maken die beter zijn opgewassen tegen overstroming.”

Publicatie

Ethylene-mediated nitric oxide depletion pre-adapts plants to hypoxia stress. Nature Communications, 5 september 2019. Sjon Hartman*, Zeguang Liu*, Hans van Veen*, Jorge Vicente, Emilie Reinen*, Shanice Martopawiro*, Hongtao Zhang, Nienke van Dongen*, Femke Bosman*, George W. Bassel, Eric J.W. Visser, Julia Bailey-Serres*, Frederica L. Theodoulou, Kim H. Hebelstrup, Daniel J. Gibbs, Michael J. Holdsworth, Rashmi Sasidharan* & Laurentius A.C.J. Voesenek* DOI 10.1038/s41467-019-12045-4

*onderzoekers verbonden aan de Universiteit Utrecht