25 november 2019

Hoe planten hun vorm aanpassen aan stijgende temperaturen

Utrechtse biologen ontdekken nieuw moleculair mechanisme

Biologen van de Universiteit Utrecht beschrijven een nieuw moleculair mechanisme waarmee planten hun groei kunnen optimaliseren onder suboptimale hoge temperatuurcondities. Volgens onderzoeksleider Martijn van Zanten biedt het onderzoek veelbelovende aanknopingspunten voor het ontwikkelen van klimaatopwarming-tolerante gewassen, die een hoge opbrengst behouden onder stressvolle hoge omgevingstemperatuur. Ze publiceren hun bevindingen 25 november in PNAS.

Warmtebeeld
Een warmtebeeld van een plant die door transpiratie en luchtstroom in staat is zijn bladeren koeler te houden dan de omgeving.

Veel gewassen zijn slecht bestand tegen hoge temperaturen. Elke graad Celsius temperatuurverhoging leidt tot wel 10 procent aan oogstverlies. Dit is een groot probleem met de huidige klimaatopwarming en de toenemende vraag naar voedsel. Veel plantensoorten kunnen echter de vorm van hun stengels en bladeren aanpassen waardoor ze beter bestand zijn tegen hoge temperaturen.

Dit proces heet thermomorfogenese en leidt tot een ‘open’ statuur, waardoor verdamping efficiënt verloopt, de directe warmte-instraling van de zon vermindert en de wind de warmte kan afvoeren. Thermomorfogenese draagt dus bij aan afkoeling en stelt daarmee de plant in staat om optimale groei en productie te behouden onder suboptimale hoge omgevingstemperatuur. Maar veel moderne landbouwgewassen zijn dat vermogen verloren.

Thermotolerante gewassen

Voor de ontwikkeling van thermotolerante gewassen is gedetailleerde kennis nodig over hoe planten hoge temperatuur waarnemen en hoe zij dit signaal vertalen in groeiaanpassingen. “Hoe planten temperatuur detecteren en welke moleculaire factoren ten grondslag liggen aan thermomorfogenese is echter slechts in beperkte mate bekend”, vertelt laatste auteur Martijn van Zanten van de Universiteit Utrecht, die het internationale team van onderzoekers uit Utrecht, het Verenigd Koninkrijk, Italië, Zweden, Tsjechië, Australië en Wageningen leidde.

“Wij hebben een tot dusver onbekend moleculair mechanisme in kaart gebracht waarmee planten thermomorfogenese aansturen in met name jonge zaailingen, de meest gevoelige periode in het leven van de plant als het aankomt op omgevingstemperatuur. Met deze nieuwe puzzelstukjes in handen kunnen we nu het veredelingsproces richting thermotolerante planten efficiënter laten verlopen.”

In het gezaghebbende tijdschrift PNAS demonstreren de onderzoekers 25 november dat het enzym Histone Deacetylase 9 (HDA9) een sleutelrol speelt bij thermomorfogenese in de veelgebruikte modelplant Arabidopsis thaliana, ofwel de zandraket. (Bij oplopende temperaturen neemt de hoeveelheid van het enzym toe en verwijdert vervolgens specifieke chemische modificaties van eiwitten op het DNA die een remmend effect hebben op de aanmaak het plantengroeihormoon auxine. Het resultaat hiervan is dat auxineniveaus stijgen en de plant zijn statuur aanpast.

Temperatuursensor

“Dit nieuwe mechanisme is wetenschappelijk heel interessant, omdat het aantoont dat een Histone Deacetylase 9 indirect een positief effect heeft op transcriptie, terwijl Histone Deacetylases algemeen geaccepteerd zijn als onderdrukkers van dit proces”, aldus Van Zanten. “Daarnaast laten wij zien dat HDA9 onafhankelijk werkt van de enige tot dusver bekende temperatuursensor, phytochrome B, die eveneens een lichtsensor is. We leggen hiermee een nieuwe temperatuursignaleringsroute in planten bloot.”

De bevinding biedt volgens de onderzoekers interessante mogelijkheden voor toepassing. “Wij laten zien dat mutanten in HDA9 wel gestoord zijn in de groeiaanpassing aan hoge temperatuur, maar gewoon kunnen reageren op lichtsignalen van buurplanten bij een dichte begroeiing. Met deze kennis kunnen we dus lichtgestuurde plantengroei ontkoppelen van temperatuur-gestuurde aanpassingen”, vertelt Van Zanten. Dit onderzoek biedt daarmee interessante aanknopingspunten voor het ontwikkelen van klimaatopwarming-tolerante gewassen, zonder dat andere wenselijke eigenschappen worden aangetast.   

Publicatie

HISTONE DEACETYLASE 9 stimulates auxin-dependent thermomorphogenesis in Arabidopsis thaliana by mediating H2A.Z depletion. PNAS, 25 november 2019. Lennard C. van der Woude*, Giorgio Perrellab, L. Basten Snoek*, Mark van Hoogdaleme, Ondrej Novákf, Marcel van Verk*, Heleen N. van Kooten*, Lennert E. Zorn*, Rolf Tonckens*, Joram A. Dongus*, Myrthe Praat*, Evelien A. Stouten*, Marcel C. G. Proveniers*, Elisa Vellutini, Eirini Patitaki, Umidjon Shapulatov, Wouter Kohlen, Sureshkumar Balasubramanian, Karin Ljung, Alexander R. van der Krol, Sjef Smeekens*, Eirini Kaiserli and Martijn van Zantena*

*Auteurs verbonden aan Universiteit Utrecht