Celbiologie van planten beter begrepen door onderzoek aan het mos Physcomitrella patens

Nieuws

Celbiologie van planten beter begrepen door onderzoek aan het mos Physcomitrella patens

Gepubliceerd op
31 januari 2017

De leerstoel Celbiologie van Wageningen University & Research zette onlangs een onderzoeklijn op waarbij mossen gebruikt worden om sneller dan voorheen biologische processen in planten te ontrafelen. De eerste wetenschappelijke publicatie is inmiddels een feit. We weten nu dankzij het onderzoek aan Physcomitrella patens meer over de vorming van nieuwe celwanden die gemaakt moeten worden als een plantencel zich deelt.

Mossen zijn ‘lagere planten’. Dat zijn planten die zich niet via zaden verspreiden. Ze zitten vaak ook wat minder ingewikkeld in elkaar. Maar veel belangrijke biologische processen van mossen zijn voor zowat honderd procent gelijk met die van ‘gewone’ planten. Dat komt doordat de belangrijkste biologische processen in de planten-evolutie al naar boven kwamen vóórdat evolutie tot zaadplanten leidde. Nieuwe kennis over biologische processen in mossen leert ons dus ook veel over processen in de planten die we telen voor ons voedsel en voor de productie van duurzame grondstoffen voor de industrie.

Eenvoudiger dan CRISPR-Cas

Volgens Jeroen de Keijzer, promovendus in celbiologische processen bij Wageningen University & Research, hebben mossen zoals Physcomitrella patens grote voordelen boven gewone planten. De Keijzer: “We kunnen in mos bijvoorbeeld in groot detail met de microscoop ín levende cellen kijken. Daarnaast kan je het DNA van mossen veel makkelijker aanpassen dan bij planten. Zelfs als je bij gewone planten nieuwe technieken als CRISPR-Cas zou gebruiken, dan nog is het veel ingewikkelder dan met mossen”.

Bij de celdeling zorgen speciale eiwitten, de microtubuli, ervoor dat er op de goede plaats een nieuwe celwand wordt aangemaakt. Als de samenwerking tussen microtubuli wordt verstoord, kunnen de mosplantjes niet meer goed groeien, en ontstaan dwergplantjes.
Bij de celdeling zorgen speciale eiwitten, de microtubuli, ervoor dat er op de goede plaats een nieuwe celwand wordt aangemaakt. Als de samenwerking tussen microtubuli wordt verstoord, kunnen de mosplantjes niet meer goed groeien, en ontstaan dwergplantjes.

Proces celdeling opgehelderd

De Keijzer is nu eerste auteur van een publicatie in Current Biology waarin hij een proces opheldert dat heel belangrijk is voor de deling van plantencellen. Als een plantencel zich deelt, moet er een nieuw stuk celwand gemaakt worden als afscheiding tussen de twee nieuwe cellen. Langgerekte buisjes gemaakt van eiwitten, de microtubuli, zijn daarbij heel belangrijk. Die microtubuli zorgen er in eerste instantie voor dat het erfelijk materiaal bij een celdeling netjes over de twee nieuwe cellen verdeelt wordt, waardoor er twee identieke celkernen ontstaan.

Daarna blijven de microtubuli aanwezig om de bouw van de nieuwe celwand te coördineren. De microtubili vormen twee sets welke elkaar gedeeltelijk overlappen. De Keijzer: “We laten zien dat die overlap tegen het einde van de celdeling steeds kleiner wordt. En dat die overlap precies op de plaats zit van waaruit een nieuwe celwand groeit. Als we ervoor zorgen dat die overlap niet kleiner kan worden, ontstaat een dikke en slecht georganiseerde celwand.

Het belang van de overlappende microtubuli is ook aan de buitenkant te zien. Physcomitrella patens plantjes met verlengde overlap groeien nauwelijks.” We laten dus zien dat het voor de vorming van een goed functionerende celwand cruciaal is dat de overlap tussen microtubili klein wordt."

- Helaas, uw cookie-instellingen zijn zodanig dat de Video niet getoond kan worden - pas uw permissie voor cookies aan

Tijdens een goede celdeling (bovenste rij) is de overlap van microtubuli heel gering, waardoor een dunne en goede nieuwe celwand ontstaat. Bij verstoring van de geringe overlap ontstaat een dikke en chaotische celwand.

Plant genome editing

Voor zijn onderzoek naar het proces van de celwandvorming schakelde de Keijzer twee genen uit die bij de celdeling nodig zijn voor het verkleinen van overlap tussen microtubuli. De Keijzer: “In mossen werkt dat makkelijker dan in gewone planten. Je kan bij mossen nieuw DNA inbouwen zonder de hulp van bijvoorbeeld een bacterie dat planten-DNA kan manipuleren. Je brengt mosplantjes voor de genome editing simpelweg in contact met het DNA dat je in het mos tot uiting wil laten komen. De DNA-machinerie van het mos zorgt er dan voor dat het aangeboden DNA in het eigen DNA wordt opgenomen. We moesten hier via een zogenaamde ‘knock out’ twee genen verwijderen, we hebben die actie dus twee keer uitgevoerd.”

Mosplantjes in de incubator voordat ze onder de lichtmicroscoop gaan.
Mosplantjes in de incubator voordat ze onder de lichtmicroscoop gaan.

High tech microscopie

Wageningen University & Research heeft onderzoekfaciliteiten met geavanceerde microscopen. Voor dit onderzoek maakte Keijzer en zijn collega’s gebruik van een confocale spinning disk laser microscoop. Die kan in levende cellen kijken, mits de cellen niet te diep in het weefsel zitten. Omdat mosjes maar heel weinig cellagen hebben, zijn ze heel geschikt om onder de microscoop te bestuderen.

Met twee extra genome editing stappen bracht de Keijzer DNA voor twee verschillende fluorescerende eiwitten in de mosplanten: één waarmee hij de overlap tussen microtubuli zichtbaar kon maken en één waarmee hij de opbouw van membraanstructuren zichtbaar kon maken. In de Physcomitrella patens-plantjes waar de overlap van de microtubuli bij de celdeling niet afnam, bleek de strook waar nieuw membraan als basis voor de nieuwe celwand wordt aangemaakt, breder te zijn. Dat beeld klopt met de celwand-foto’s die de Keijzer later met een elektronenmicroscoop maakte. De celwanden waren niet alleen dikker maar ook veel chaotischer qua structuur. Zo waren er in de verdikte celwand nauwelijks plasmodesmata te zien; de kanaaltjes waarmee cellen normaalgesproken door celwanden heen met elkaar kunnen ‘communiceren’.