Plantenwetenschappers ontdekken aan/uit knop voor reactie van planten op hormoon

Nieuws

Plantenwetenschappers ontdekken aan/uit knop voor reactie van planten op hormoon

Gepubliceerd op
18 mei 2020

Wetenschappers van Wageningen University & Research en hun Japanse en Spaanse collega’s hebben in planten een ‘aan/uit’ schakelaar en een ‘volumeknop’ gevonden die de groei van planten sturen. De toepassing van deze ontdekking kan telers helpen nieuwe gewassen te ontwerpen die bijvoorbeeld beter bestand zijn tegen ziekten, droogte of overstromingen. Hun bevindingen zijn gepubliceerd Nature Plants.

Het team onderzoekers heeft aangetoond dat de zeer complexe reactie van planten op het plantenhormoon auxine, teruggebracht kan worden tot een eenvoudig schakel-model. Het komt erop neer dat het auxine een schakelaar van ‘uit’ naar ‘aan’ zet. Tegelijkertijd concurreert een tweede factor met deze ‘schakelaar’ en bepaalt zodoende hoe gevoelig elke cel voor het hormoon is. De vele manieren waarop een plant op auxine reageert, van wortel tot bloei, wordt als het ware bepaald door de aan/uitknop en de volumeregelaar.

Het kleine auxinemolecuul staat erom bekend vele aspecten van plantengroei en ontwikkeling te bepalen door het wijzigen van de activiteit van verschillende genen. DNA-bindende ARF-eiwitten binden zich aan genen, en zetten deze aan of uit. Het is de auxine die bepaalt of de ARF-eiwitten wel of niet actief zijn. De meeste planten beschikken over verschillende ARF-eiwitten, welke gevormd zijn doordat tijdens de evolutie meerdere kopieën zijn ontstaan, waarna hun eigenschappen gewijzigd zijn. Dat alles leidt tot een uiterst complex web van ARF-eiwitten dat verschillende reacties kan veroorzaken op één hormoon.

Het team bestudeerde de reactie op auxine in het parapluutjesmos Marchantia polymorpha. Deze plant heeft het meest eenvoudige auxinesystem, en werd eerder al beschreven door de onderzoekers in een publicatie in eLife, waarvoor Hirotaka Kato en Sumanth Mutte in 2019 de Wageningen Research Award ontvingen. In dit nieuwe onderzoek in Nature Plants maakt het team gebruik van de eenvoud van het Marchantia-reactiesysteem en heeft haar werking minutieus in kaart gebracht middels een combinatie van genetica en eiwit-biochemie. Hierdoor werd het eenvoudige systeem van twee concurrerende ARF-eiwitten aan het licht gebracht, dat de essentie van het auxinesysteem vormt.

ARF1 protein in Marchantia marked with a fluorescent protein (photo: Shubhajit Das)

ARF1 eiwit in Marchantia - De aan/uitknop is gemarkeerd met een fluorescerend eiwit (foto: Shubhajit Das)

Fundamentele verandering van perspectief

“We denken dat onze resultaten de wijze waarop onderzoekers naar het functioneren van het belangrijke auxinehormoon kijken fundamenteel zal veranderen,” zegt Dolf Weijers, hoofd van het Laboratorium voor Biochemie en trekker van het onderzoeksteam. “Bovendien, deze grote sprong in onze kennis over hoe cellen op het hormoon reageren geeft ons ongekende mogelijkheden om op celniveau de reactie van gewassen op het hormoon te beïnvloeden. Vermenigvuldiging, wortelgroei en vele andere eigenschappen van planten zijn afhankelijk van de reactie op auxine.”

Misleid door complexiteit

Decennialang werd aangenomen dat bloeiende planten, waaronder de modelplant zandraket, gebruikmaken van een zeer complex systeem van reactiefactoren om cellen op verschillende manieren te laten reageren op hetzelfde hormoon. Zo groeien sommige cellen, andere splitsen zich, en weer andere differentiëren. Er werd ook aangenomen dat hetzelfde hormoon zorgt voor wortelontwikkeling en bloei, afhankelijk van waar in de plant zich de reactie voordoet.

Het onderzoeksteam beschrijft nu hoe zij een zeer eenvoudig principe ontdekte, welk ten grondslag ligt aan de complexe reacties op het plantenhormoon auxine. Het is aannemelijk dat ditzelfde principe geldt voor andere plantensoorten die beschikken over grote families ARF-eiwitten. Het huidige onderzoek leert ons hoe planten, waaronder gewassen, op het hormoon reageren.

Experimenteel bioloog Hirotaka Kato, voorheen bij Wageningen University, thans bij Kobe University, werkte voor zijn grensverleggende onderzoek samen met collega’s bij het Wageningen Laboratory of Chemistry and Biophysics, met het Alba Synchrotron in Barcelona en de University of Kyoto. Het onderzoek werd deels gefinancierd met een NWO-VICI beurs die in 2015 aan Dolf Weijers werd toegekend.