Sla als slagveld

Een slaplant lijkt weerloos, maar op elk blad speelt zich een constante strijd af. Schimmels, bacteriën en andere ziekteverwekkers zoals de valse meeldauw zoeken voortdurend naar manieren om de plant binnen te dringen. Tegelijkertijd probeert de plant hen te herkennen voordat het te laat is. Biologen van de Universiteit Utrecht hebben opgehelderd hoe sla dat doet. Hun ontdekking, die onlangs verscheen in het vakblad PNAS, werpt nieuw licht op de ingenieuze afweer van planten. Op termijn kan dit ook leiden tot sterkere, weerbaardere gewassen.

Een slaplant kan niet weglopen voor gevaar. Hij kan zich niet verstoppen voor een ziekteverwekker en geen schadelijke insecten wegjagen. En toch overleven planten al honderden miljoenen jaren, terwijl de wereld om hen heen vol vijanden zit. Hoe doen ze dat?

“Dat is eigenlijk één van de mooiste vragen uit de plantenbiologie,” zegt bioloog Guido van den Ackerveken, hoogleraar Translationele Plantenbiologie aan de Universiteit Utrecht. “Planten lijken passief, maar in werkelijkheid houden ze hun omgeving voortdurend in de gaten.”

Vandaag maken biologen van de Universiteit Utrecht een opvallende ontdekking bekend over het afweersysteem van planten. In het vakblad PNAS beschrijven ze hoe sla een belangrijk alarmsignaal van ziekteverwekkers herkent.

Het onderzoek werd geleid door promovendus Iñigo Bañales, samen met Guido van den Ackerveken en Dmitry Lapin. Hun ontdekking vertelt niet alleen iets fundamenteels over de evolutie van immuniteit bij planten, maar kan op termijn ook helpen bij het ontwikkelen van weerbaardere gewassen.

Een rookmelder voor ziekteverwekkers

Ons eigen lichaam beschikt over een aangeboren afweersysteem dat indringers herkent. Planten hebben eigenlijk iets vergelijkbaars. Op het oppervlak van hun cellen zitten duizenden zogeheten receptoren. Dat zijn moleculaire sensoren die voortdurend speuren naar patronen die horen bij bacteriën, schimmels, oomyceten (zoals valse meeldauw) en andere ziekteverwekkers.

“Je kunt zo'n receptor vergelijken met een rookmelder,” zegt Van den Ackerveken. “Hij herkent niet de brand zelf, maar een signaal dat er iets mis is. Zodra zo’n receptor afgaat, komt de afweer van de plant op gang.”

De Utrechtse onderzoekers wilden begrijpen hoe dat alarmsysteem in sla werkt.

Tweehonderd sla-varianten

Dat begon met een enorme zoektocht. Bañales onderzocht samen met collega’s bijna tweehonderd verschillende sla-varianten. Ze testten hoe die reageerden op het nlp24-peptide: een klein stukje van een eiwit dat veel ziekteverwekkers gebruiken tijdens hun aanval op planten. Sommige planten sloegen meteen alarm, andere reageerden helemaal niet.

Dat verschil bleek de sleutel. De onderzoekers vergeleken het DNA van de slaplanten met elkaar. Zo konden ze uiteindelijk één gen aanwijzen dat verantwoordelijk is voor de herkenning. Dat gen zorgt voor de aanmaak van de receptor op het oppervlak van plantencellen, die de onderzoekers LNR (Lettuce nlp24 Receptor) noemen.

Na een zoektocht langs tweehonderd sla-varianten viel het beslissende puzzelstuk op zijn plaats.

Toen de onderzoekers dat gen plaatsten in een slaplant die de receptor niet van nature heeft, gebeurde precies wat ze hoopten: de plant herkende het alarmsignaal nu ineens wél.

“Dat was het beslissende bewijs dat we de juiste receptor hadden gevonden,” zegt Van den Ackerveken.

Twee keer dezelfde uitvinding

Misschien nog wel verrassender was wat daarna volgde. Biologen wisten al dat de veel-bestudeerde plant zandraket (Arabidopsis thaliana) bijna hetzelfde alarmsignaal kan herkennen. Maar de Utrechtse onderzoekers ontdekten dat sla daarvoor een totaal ander soort receptor gebruikt.

De evolutie heeft twee verschillende soorten afweer gevonden tegen eiwitten die cruciaal zijn voor ziekteverwekkers. Dit laat zien hoe belangrijk het voor planten is om die eiwitten te herkennen

Met andere woorden: twee totaal verschillende plantensoorten, waarvan de gezamenlijke voorouders meer dan 100 miljoen jaar geleden leefden, vonden onafhankelijk van elkaar een oplossing voor hetzelfde probleem.

“De evolutie heeft hier eigenlijk twee keer eenzelfde uitvinding gedaan, op twee verschillende manieren” zegt Van den Ackerveken. “Dat laat zien hoe belangrijk de herkenning van NLP-eiwitten van ziekteverwekkers blijkbaar is.”

Voor biologen is dat een fascinerend inzicht. Het vertelt iets over de voortdurende wapenwedloop tussen planten en ziekteverwekkers, die al miljoenen jaren gaande is.

De achilleshiel van een ziekteverwekker

De ontdekking werd nog interessanter toen de onderzoekers precies bekeken wat de LNR-receptor van sla eigenlijk precies herkent. Het bleek een minuscuul stukje te zijn van een eiwit dat veel ziekteverwekkers gebruiken tijdens hun aanval op planten. Het stukje bestaat uit een keten van zeven aminozuren, een zogeheten heptapeptide-motief. 

En juist dat stukje eiwit is essentieel voor de ziekteverwekker om planten aan te vallen, aldus Van den Ackerveken. “Als ziekteverwekkers de verdediging van planten willen omzeilen, dan kunnen ze dit stukje dus niet aanpassen. Hun eigen aanvalsmiddel werkt dan niet meer goed.”

Dat maakt de receptor bijzonder interessant, aldus de biologen, omdat deze zich richt op een cruciale plek waar ziekteverwekkers evolutionair weinig speelruimte hebben.

Sterkere planten begint met fundamenteel onderzoek

Betekent deze ontdekking dat we binnenkort alle sla-varianten extra weerbaar kunnen maken tegen ziekten? En kunnen we die sla binnenkort dan ook kopen in de supermarkt? Zo snel gaat het niet, aldus Van den Ackerveken. 

Volgens Van den Ackerveken moet je het niet zien als één wonderoplossing. “Je kunt het vergelijken met het beveiligen van een huis. Eén enkel slot helpt al een beetje. Maar als je meerdere sloten en een goed alarmsysteem hebt, maak je het voor inbrekers veel moeilijker. Zo werkt het ook bij planten. Door verschillende afweermechanismen te combineren, maak je het voor ziekteverwekkers moeilijker om de plant binnen te dringen en schade aan te richten.”

De receptoren die nu in sla zijn onderzocht, kunnen in de toekomst mogelijk ook de natuurlijke afweer van allerlei andere gewassen versterken.

Bovendien richten de Utrechtse biologen hun blik niet alleen op sla. Inmiddels hebben ze al aangetoond dat de receptor ook in andere gewassen werkt, bijvoorbeeld aardappel. Dat is een belangrijke aanwijzing dat zulke receptoren in de toekomst mogelijk ook de natuurlijke afweer van allerlei andere gewassen kunnen versterken.

Om sneller de stap te kunnen zetten van onderzoek naar extra weerbare gewassen hebben de biologen inmiddels ook een patent aangevraagd op de toepassing van de receptor. Samen met bedrijven onderzoeken ze hoe de ontdekking verder te ontwikkelen is.

Natuurlijke afweer beter gebruiken

Voor de onderzoekers is de publicatie van hun artikel in PNAS vooral een nieuw hoofdstuk in een veel groter verhaal. Want elke plantensoort bezit zijn eigen verzameling receptoren, die op hun manier ook weer kunnen bijdragen aan extra weerbare gewassen. Waarschijnlijk wachten er nog veel meer op ontdekking.

Misschien is het mooiste van deze ontdekking wel dat ze laat zien hoe ongelooflijk ingenieus planten eigenlijk zijn

Van den Ackerveken: “Hoe beter we begrijpen hoe planten ziekteverwekkers herkennen, hoe beter we uiteindelijk gebruik kunnen maken van die natuurlijke afweer. Maar misschien is het mooiste van deze ontdekking wel dat ze laat zien hoe ongelooflijk ingenieus planten eigenlijk zijn. Ze lijken stil en kwetsbaar, maar op moleculair niveau zijn ze voortdurend bezig hun omgeving te volgen en zich te verdedigen.”