Hoe een klompje cellen ich weet te ontwikkelen tot een volledige plant

Nieuws

Hoe groeien en ontwikkelen planten zich eigenlijk?

Gepubliceerd op
7 augustus 2014

Hoe groeit uit een minuscuul klompje van vier ogenschijnlijk identieke plantencellen een complete plant, met stengels, bladeren en bloemen? Lange tijd was het mechanisme van de weefselvorming in planten onduidelijk. Ook Wageningse biochemici zouden zijn gestrand zonder de hulp van modelbouwende collega’s die met hun wiskundige blokkendoos de plantengroei simuleerden. Ze beschrijven de gezamenlijke ontrafeling van het mechanisme in het wetenschappelijke tijdschrift Science van 8 augustus.

Patroonvorming vaatweefsel al in vroege plantenembryo

Planten zijn niet zo beweeglijk als dieren. Waar dieren zich vrij kunnen bewegen, zijn planten verankerd aan de bodem. Dat geldt ook voor hun cellen. In het embryonale stadium van een dier kunnen cellen migreren, terwijl de piepjonge plantencellen onwrikbaar aan elkaar zijn geklonken. Het plantenembryo groeit door streng gecontroleerde celdelingen in een van de drie dimensies - naar voren, opzij of naar boven. Tezelfdertijd moeten groepjes van deze cellen ook specifieke ‘identiteiten’ krijgen die uiteindelijk leiden tot bijvoorbeeld hout- of vaatweefsel. Het was tot nu toe totaal onbekend hoe deze twee cruciale processen, groei en patroonvorming, tijdens weefselvorming zodanig gecontroleerd worden dat het weefsel ondanks groei stabiel blijft. De biochemici ontdekten dat patroonvorming van vaatweefsel al plaats heeft terwijl het vroege embryo nog slechts vier vaatweefselcellen telt.

Genetisch regelcircuit basis gerichte celdeling tijdens aanleg vaatweefsel

De onderzoeksgroep van het Laboratorium voor Biochemie van Wageningen University kon aantonen dat een genetisch regelcircuit aan de basis ligt van de uiterst gerichte celdeling tijdens de aanleg van het vaatweefsel van de plant. Daardoor wordt een set genen aangeschakeld waardoor het plantenhormoon cytokinine wordt geproduceerd dat vervolgens de celdeling en de richting van de deling stuurt. “Maar toen zaten we vast”, verklaart onderzoeker Bert De Rybel. “We konden geen experimenten meer bedenken die konden aantonen dat hetzelfde regelcircuit ook patroonvorming controleert.” Op dit punt komen de computermodelbouwers van het Laboratorium voor Systeembiologie van Wageningen University in beeld. “Wij vroegen: zijn die vier cellen echt wel allemaal gelijk?” zegt Milad Adibi. “Want op basis van het gegeven dat de vier embryonale plantencellen identiek zijn en volkomen symmetrisch ten opzichte van elkaar liggen, als een perfect gevierendeelde taart, konden wij geen simulaties bouwen. Er verandert dan niets.”

Stukje celwand gemeenschappelijk

Daarop bestudeerden Bert De Rybel en zijn collega’s nog eens de microscopische foto’s. “Op onze opnames van viercellige embryo’s ontdekten we waarachtig, dat de cellen elkaar niet in één punt raken. Twee tegenover elkaar gelegen cellen hebben een heel klein stukje celwand gemeenschappelijk. Zo onderscheiden zij zich van het andere paar. En tot onze verrassing stond dat stukje celwand op alle foto’s, zelfs op opnames uit 1995. Niemand had dat ooit gezien, totdat de systeembiologen ons erop wezen dat er theoretisch een verbinding móést zijn.”

Regelcircuit controleert groei en vorming

Het viercellige stadium is dus geen klompje identieke cellen. Het geheim van de controle op patroonvorming zit hem in een combinatie van die gemeenschappelijk celwand én een klein verschil in de hoeveelheid van het plantenhormoon auxine. Het genetische regelcircuit dat door de onderzoekers is ontdekt, zorgt er vervolgens voor dat de vier cellen uitgroeien tot een volledig weefsel met verschillende celtypes. De onderzoekers konden verder aantonen dat de lokale activiteit van dit netwerk in die enkele cellen met meer auxine leidt tot de organisatie van de naburige cellen en aldus werken als organisator voor het volledige weefsel. Hetzelfde regelcircuit controleert dus zowel groei door middel van gecontroleerde celdeling als de vorming van een specifiek patroon met verschillende celtypes.

“Dit is een modelvoorbeeld van synergie, waarbij de combinatie van experimenteel biochemisch en genetisch onderzoek met theoretische wiskundige modellen leidt tot inzichten die geen van beide onderzoeksgroepen alleen hadden kunnen verwezenlijken!”, aldus prof. Dolf Weijers van de groep Biochemie en Christian Fleck van Systeembiologie.