Genoomarcheologen graven de oorsprong van een plantenhormoon op

Persbericht

Genoomarcheologen graven de oorsprong van een plantenhormoon op

Gepubliceerd op
27 maart 2018

Op zoek naar de oorsprong van het universele hormoon auxine in planten kropen Wageningse biochemici en bioinformatici in de huid van archeologen. Diep in de evolutionaire geschiedenis van het plantenleven op aarde, zo’n miljard jaar geleden, boorden zij de eiwitbrokken aan die toen al met het plantenhormoon van doen hadden. De zoektocht brengt informatie aan het licht die levenswetenschappers inzicht geeft in de evolutie, mogelijkheden schept voor plantenveredelaars en perspectief voor telers. Het onderzoeksteam publiceert zijn ontdekkingstocht in het leidende online tijdschrift eLife van 27 maart.

Een plant groeit aan de top het hardst, maakt zijstengels en dikkere wortels, bladeren die naar het licht draaien, bloemen en vruchten in allerlei vormen. Het is het plantenhormoon auxine dat deze ontwikkelingen in gang zet. Auxine is aanwezig in de cellen en plantenweefsels in verschillende concentraties. Het is dan ook een van de meest complexe biochemische systemen waarmee een plant zijn groei bepaalt.

“Het is wonderlijk hoe zo’n complex systeem een keur aan processen heeft ontwikkeld, zoals we zien in bloemplanten”, zegt onderzoeksleider prof. Dolf Weijers, hoogleraar Biochemie aan Wageningen University & Research. “Je moet denken aan de celdeling, celgroei en de differentiatie naar allerlei celsoorten, bijvoorbeeld van stengels, bladeren of een vrucht. Het grote mysterie is hoe al die verschillende reacties mogelijk zijn met dit stokoud signaalstofje, en hoe zo’n complex systeem is ontstaan.”

Duizend plantensoorten

Promovendus Sumanth Mutte in het team van Dolf Weijers stortte zich op het genoom van ruim duizend plantensoorten. Ze kozen soorten die alle nu nog leven, maar een verschillende evolutionaire levensgeschiedenis kennen. Daaronder de ‘moderne’ bloeiende planten die zich 320 miljoen jaar geleden afsplitsten en die nu een zeer complex auxinesysteem kennen; oudere soorten zaadplanten, zoals coniferen, en sporenplanten zoals varens en de nog vroegere mossen, ruim een half miljard jaar oud. De oudste op auxine onderzochte levensvorm waren eencellige, groene algen, stammend uit het diepe verleden van een miljard jaar.

Drie vroege eiwitfamilies

'In die ongelooflijk lange periode is er heel veel gebeurd in de plantencellen,' vertelt prof. Weijers. 'Zo zijn veel genomen verdubbeld of verviervoudigd. En dat had tot gevolg dat er heel veel verschillende eiwitten in de plant een functie gingen vervullen. Vanaf een half miljard jaar geleden, toen de eerste landplanten verschenen, is het auxinesysteem zoals we dat nu kennen compleet.'

We zagen, tot onze verrassing dat er van de drie eiwitfamilies die de functies van auxine uitvoeren er al één aanwezig was in de groene algen. Op nog grotere ‘diepte’, een miljard jaar terug, toen het leven zich nog geheel in het water afspeelde, stuitte onze zoektocht op brokstukken van de drie eiwitfamilies. Die treffen we dus nog steeds in de huidige planten aan, maar hebben hun oorsprong in groene algen, en hadden waarschijnlijk oorspronkelijk een andere functie.'

Experimentele genoomarcheologie

Post-doc Hirotaka Kato verifieerde vervolgens de bevindingen door ‘experimentele genoomarcheologie’ uit te voeren met planten uit drie verschillende tijdperken: algen, mossen en een varen. Zij keken hoe deze genomen reageren op auxine, door bijvoorbeeld het aantal genen te bepalen dat door het hormoon aan- of juist uitgezet wordt.'Hierdoor konden we zien hoe het auxinesysteem complexer is geworden, en aan welke knoppen de plant kan draaien om het hormoon voor nieuwe processen in te zetten, om zo haar groei en vorm te reguleren',' licht prof. Weijers toe.

Meer kennis van de fundamentele werking van auxine is van belang voor de levenswetenschappen an sich. Hoe functioneert de plant op verschillende niveaus, van cel tot organen en als geheel. Die kennis is straks te vertalen in veredelingsprogramma’s, voor het ontwikkelen van nieuwe rassen van voedselgewassen. 'Als je beter begrijpt hoe de plant controle houdt over zijn eigen groei en ontwikkeling, kan de veredelaar en straks de teler een gezonder en beter gewas leveren.'

De studie werd uitgevoerd binnen een Vici-subsidie van NWO, een nationale, persoonsgebonden subsidieregeling.

Artikel in eLife

Mutte, S., Kato, H., Rothfels, C., Melkonian, M., Wong, G.K.-S., and Weijers, D. (2018). Origin and evolution of the nuclear auxin response system. eLife DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.33399