Dubbelpublicatie over moleculaire routes die plantenvorm aanpassen aan warmte

Rekken en strekken: hoe planten zich aanpassen aan stijgende temperaturen

In twee publicaties beschrijven Utrechtse biologen samen met internationale collega’s processen die planten gebruiken om zich aan te passen aan warmte. De ontdekkingen geven inzicht in hoe planten optimaal functioneren onder hoge temperaturen. Ze bieden ook handvatten om de groei van planten te sturen en ze beter bestand te maken tegen klimaatopwarming. De onderzoekers publiceren hun resultaten in de vakbladen The Plant Journal en Nature Communications.

Martijn van Zanten, Molecular Plant Physiology
Dr. Martijn van Zanten

Als mensen en dieren het te heet onder de voeten krijgen, is de oplossing vaak eenvoudig: verplaatsen naar een plek met meer beschutting. Voor planten biedt dit geen uitweg. Zij zitten met hun wortels immers vast in de grond. Veel gewassen zijn niettemin slecht bestand tegen hogere temperaturen. Een paar graden boven de optimale groeitemperatuur kan al leiden tot tientallen procenten verlies in opbrengst.

IJsbeer in de woestijn

Toch hebben veel plantensoorten manieren ontwikkeld om te kunnen omgaan met hogere temperaturen. ‘In tegenstelling tot dieren kunnen veel planten hun lichaamsvorm aanpassen aan warmte en ander omgevingsfactoren. Ze zijn heel plastisch’, zegt onderzoeker Martijn van Zanten, die verbonden is aan de Universiteit Utrecht en aan beide publicaties heeft bijgedragen.

‘Dieren zijn veel minder plastisch. Plat gezegd, als je een ijsbeer in de woestijn neerzet, dan blijft dat nog steeds een ijsbeer met een dikke vacht. Maar als een plant opgroeit in warmere omstandigheden, dan zal die zijn lichaamsvorm daarop aanpassen. Op die manier probeert de plant optimaal te functioneren onder de minder gunstige omstandigheden.’

Zandraket (Arabidopsis thaliana) in compacte en gestrekte vorm
De zandraket (Arabidopsis thaliana) in compacte en open vorm. (© Nature Plants)

Van compact naar open vorm

Veel plantensoorten kunnen de vorm van hun stengels en bladeren aanpassen waardoor ze beter bestand zijn tegen hoge temperaturen. Dat geldt ook voor de zandraket (Arabidopsis thaliana), de favoriete model-plant voor plantenbiologen. In koude omstandigheden zijn de planten compact en liggen de bladeren dicht bij de grond. Bij hogere temperatuur nemen ze een meer open vorm aan. De bladeren gaan bijvoorbeeld meer rechtop staan. Dat vermindert flink de directe instraling van zonlicht. Daarnaast gaan de bladstelen zich strekken, waardoor de wind meer vat krijgt op de bladeren om de warmte af te voeren.

Strekking door gewassen kan ten koste gaan van de opbrengst. Toch is die aanpassing nodig om ze beter bestand te maken tegen hogere temperaturen door klimaatverandering

Gewenste en ongewenste strekking

Toch is in de gewassen- en bloementeelt dit soort strekking vaak ongewenst. Telers willen die aanpassingen graag onder controle krijgen, omdat die ten koste kunnen gaan van de opbrengst of productkwaliteit. ‘Tegelijkertijd is aanpassing nodig om gewassen beter bestand te maken tegen hogere temperaturen die klimaatverandering met zich meebrengt. Alleen daarmee kun je de productie op langere termijn op peil houden’, zegt Van Zanten.  

Planten klimaat-toleranter maken

‘Veel cultuurgewassen zijn echter het vermogen om goed te reageren op hogere temperatuur verloren’, zegt Van Zanten. ‘Die eigenschap is in verschillende gewassen ongemerkt verdwenen tijdens het proces van veredelen, omdat er vooral is geselecteerd op andere eigenschappen.’

Nu, met een veranderend klimaat, is er volgens Van Zanten steeds meer noodzaak om planten klimaat-toleranter te maken. ‘Dit vereist kennis van hoe planten omgaan met hogere temperaturen. Hoe zetten ze de temperatuur-signalen die ze krijgen om naar groeiaanpassingen? Door onderzoek te doen naar de moleculaire mechanismes waarmee planten zich aanpassen aan suboptimale temperatuur krijgen we handvatten om de architectuur van gewassen bij te sturen via veredeling.’

Nieuwe stof zet uitgerekte vorm ‘aan’

Zandraket-planten die zich niet meer aanpassen aan hogere temperaturen blijken dat vermogen terug te krijgen als ze worden blootgesteld aan een bepaalde stof. Dat ontdekte een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Van Zanten. Het team testte een groot aantal stoffen op een zandraket-variant die zich niet meer aanpast aan hoge temperaturen. Ze vonden een molecuul dat de aanpassing aan hoge temperatuur bij jonge planten ‘aan’ kan zetten, ook al was het niet warm.

Martijn van Zanten, Molecular Plant Physiology
Dr. Martijn van Zanten

De stof kreeg van de onderzoekers de naam ‘heatin’. Door het molecuul chemisch aan te passen en daarna te bestuderen welke eiwitten aan heatin kunnen binden, vonden ze vervolgens een groep van eiwitten genaamd nitrilases. Van die groep is bekend dat ze alleen voorkomen in kolen en verwante soorten, waar ook de zandraket onder valt.

Samen met een plantenveredelaar ontdekten de biologen dat inderdaad koolsoorten reageren op heatin. Ze ontdekten ook dat de nitrilases nodig zijn voor aanpassing aan hoge temperatuur, waarschijnlijk doordat die de aanmaak van het bekende groeihormoon auxine mogelijk maken. De onderzoekers publiceerden deze ontdekking in het vakblad The Plant Journal.

Nieuwe route voor warmte-aanpassing

De publicatie van het heatin-onderzoek valt samen met een andere publicatie, vandaag in Nature Communications. Dat onderzoek stond onder leiding van wetenschappers aan het Vlaams Instituut voor Biotechnologie in Gent, en Van Zanten was daar eveneens bij betrokken. Het team ontdekte een voorheen onbeschreven eiwit dat in de cel bijdraagt aan de manier waarop planten zich aanpassen aan een warmere omgeving. Het eiwit kreeg de naam MAP4K4/TOT3, waarbij TOT staat voor Target of Temperature.

Bijzonder is dat het TOT3-gestuurde proces grotendeels los staat van alle andere signaleringsroutes die biologen tot nu toe koppelden aan warmte-aanpassing bij planten. Opvallend is ook dat de aanpassingen door TOT3 niet afhankelijk lijken te zijn van de hoeveelheid en samenstelling van het licht dat op een plant valt.

We hebben nu een factor in handen waarmee we de groei onder hoge temperatuur kunnen aansturen, zonder dat we ingrijpen op de manier waarop de plant met licht omgaat

Van Zanten: ‘Er is veel overlap in de moleculaire mechanismen waarmee planten groei aanpassen aan veranderende lichtsamenstelling en aan hoge temperatuur. Met TOT3 hebben we nu een factor in handen waarmee we de groei onder hoge temperatuur kunnen aansturen, zonder dat we ingrijpen op de manier waarop de plant met licht omgaat.’

Brede toepassing

‘Wat het nog interessanter maakt,’ zegt Van Zanten, ‘is dat TOT3 op vergelijkbare wijze een rol speelt bij groeiaanpassing onder hoge temperatuur in de zandraket en in tarwe. Die twee soorten staan genetisch heel ver van elkaar af. Dat biedt dus grote mogelijkheden voor een brede toepassing.’

Door bloemvarianten te selecteren die minder strekken, is het gebruik van groeiremmer te verminderen

Alternatief voor groeiremmers

Uiteindelijk kunnen de ontdekkingen van TOT3 en nitrilases ons helpen om voldoende gewassen te kunnen blijven telen, ook  als het klimaat opwarmt. De ontdekkingen bieden ook kansen om alternatieven te ontwikkelen voor chemicaliën die nu vaak worden gebruikt om plantengroei af te remmen. Van Zanten noemt als voorbeeld snijbloemen, die heel sterk reageren op temperatuur. In de bloementeelt worden daarom veel groeiremmers gebruikt om de planten mooi compact te houden.

‘Als je bijvoorbeeld een bosje tulpen koopt hebben ze nog een mooi korte stengel’, zegt Van Zanten. ‘Maar na een paar dagen thuis hangen ze over de rand van de vaas. Door de hogere temperatuur in huis strekken de planten zich, waardoor ze uiteindelijk slap worden en buigen. Wij hopen dat de nieuwe kennis bruikbaar is om gericht nieuwe bloemvarianten te selecteren die minder strekken onder hoge temperaturen. Zo kunnen we het gebruik van groeiremmers verminderen.’

Publicaties

The chemical compound ‘Heatin’ stimulates hypocotyl elongation and interferes with the Arabidopsis NIT1-subfamily of nitrilases
The Plant Journal, Mei 2021. DOI: 10.1111/tpj.15250
Lennard van der Woude*, Markus Piotrowski, Gruson Klaasse*, Judith K. Paulus, Daniel Krahn, Sabrina Ninck5, Farnusch Kaschani, Markus Kaiser, Ondřej Novák, Karin Ljung, Suzanne Bulder, Marcel van Verk*, Basten L. Snoek*, Martijn Fiers, Nathaniel I. Martin*, Renier A. L. van der Hoorn, Stéphanie Robert, Sjef Smeekens* & Martijn van Zanten*

*: Verbonden aan de Universiteit Utrecht

The membrane-localized protein kinase MAP4K4/TOT3 regulates thermomorphogenesis
Nature Communications, Mei 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-23112-0
Lam Dai Vu, Xiangyu Xu, Tingting Zhu, Lixia Pan, Martijn van Zanten*, Dorrit de Jong, Yaowei Wang, Tim Vanremoortele, Anna M. Locke, Brigitte van de Cotte, Nancy De Winne, Elisabeth Stes, Eugenia Russinova, Geert De Jaeger, Daniël Van Damme, Cristobal Uauy, Kris Gevaert en Ive De Smet

* : Verbonden aan de Universiteit Utrecht