Inhoudsstoffen-landkaarten geven meer inzicht en kunnen helpen oogstverliezen te verminderen

Nieuws

Inhoudsstoffen-landkaarten geven meer inzicht en kunnen helpen oogstverliezen te verminderen

Gepubliceerd op
9 november 2015

Het is mogelijk om snel en nauwkeurig inhoudsstoffen-‘landkaarten’ te maken van levend plantenweefsel, door gebruik te maken van laser ablation electrospray ionization mass spectrometry imaging. Dat laten onderzoekers van Wageningen UR zien in hun publicatie in het wetenschappelijke tijdschrift Plant Physiology. De kaarten zijn nu nog 2D, hierna gaan de onderzoekers kijken of met de techniek ook 3D-kaarten gemaakt kunnen worden.

De landkaarten, die de Wageningse onderzoekers maakten, zijn tot op de halve millimeter nauwkeurig. De landkaarten kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden om meer inzicht te krijgen in de reactie van planten op binnendringende ziekteverwekkers. Dat inzicht is belangrijk voor de ontwikkeling van voedselgewassen, die zichzelf beter kunnen verweren tegen ziekten en plagen, en daardoor meer en beter voedsel kunnen produceren.

Meer dan 100.000 plantenstoffen

In iedere plantencel zitten  duizenden verschillende inhoudsstoffen, metabolieten. Enzymen in de cel zorgen voor de productie van al die metabolieten. En de aanwezigheid van deze enzymen wordt weer aangestuurd door de genen in het DNA van de plant. Zo zijn er in kroonbladeren andere genen actief dan in groene bladeren, waardoor alleen de kroonbladeren inhoudsstoffen maken die voor de bloemkleur zorgen. Al die duizenden inhoudsstoffen in plantencellen hebben verschillende functies. De kleurstoffen in een bloem zorgen voor het aantrekken van insecten voor de bestuiving, smaakstoffen maken bessen aantrekkelijk voor vogels, waardoor de vogels de zaden verspreiden, en alkaloïden en heel veel andere gespecialiseerde metabolieten helpen de plant bij de verdediging tegen ziekten en plagen.

Er kunnen grote verschillen bestaan tussen samenstelling van plantencellen die dicht bij elkaar in de buurt liggen, zoals binnen een blad. Daarom is het nuttig om van kleine specifieke groepen cellen, of zelfs van individuele cellen de plantenstoffen te kunnen meten. Voor gedroogd weefsel bestond daarvoor al een techniek. Maar die techniek is minder betrouwbaar doordat bij het drogen de samenstelling van de cellen kan veranderen. Meten aan levend weefsel is dus veel beter.

Lasers, explosies en elektrische lading

De Wageningse onderzoekers bekeken of het met laser ablation electrospray ionization mass spectrometry imaging apparatuur, een faciliteit van  CAT–AgroFood Shared Research Facilities van Wageningen UR, mogelijk zou zijn om gedetailleerde metabolieten-landkaarten te maken. Daarvoor gebruikten ze orchideeën-bloemen. Van de Phalaenopsis orchidee bestaan er rassen die paars met wit gevlekt zijn. Eerst werden paarse en witte weefsels op een traditionele manier onderzocht, door de twee kleuren weefsel met mes en pincet van elkaar te scheiden. Van die twee weefsels werd vervolgens op een traditionele manier bepaald welke stoffen er in zitten. Zo werden de stoffen uit het witte en uit het paarse weefsel herkenbaar. 

Van een heel klein stukje in het bloemblad van deze orchidee (linkse vierkant) konden de onderzoekers een landkaart maken voor de stoffen van het paarse weefsel (midden) en van het witte weefsel (rechts).
Van een heel klein stukje in het bloemblad van deze orchidee (linkse vierkant) konden de onderzoekers een landkaart maken voor de stoffen van het paarse weefsel (midden) en van het witte weefsel (rechts).

Daarna werd  de laser ablation electrospray ionization op de bloemblaadjes losgelaten. Bij deze techniek wordt met een laserstraal op een klein groepje cellen geschoten. De kracht van de laserstraal is zo gekozen dat het water in de cellen binnen milliseconden gaat koken, waardoor de cellen exploderen. Daarbij komen alle metabolieten in hele kleine druppeltjes in de lucht terecht, vlak boven het bloemblaadje. Op datzelfde moment worden de losgeslagen metabolieten elektrisch geladen in een nevel van oplosmiddel,  waardoor ze dankzij een elektrisch veld de massaspectrometer worden ingezogen. In deze massaspectrometer wordt de grootte van de moleculen heel exact gemeten. Zo kan per plekje in het plantenweefsel heel plaatselijk bepaald worden welke metabolieten voorkomen.

Landkaart tot op de millimeter

Door de laser te koppelen aan een computer kan een ‘raster’ van meetpunten worden onderzocht. De Wageningse onderzoekers kozen voor een afstand van een halve millimeter tussen de meetpunten. Zo analyseerden ze honderden verschillende groepjes cellen van de bloemblaadjes in slechts enkele minuten.

Door de vergelijking te maken met de eerdere analyses van de paarse en witte weefsels van de bloembladeren konden ze bewijzen dat deze techniek echt werkt. De stoffen die met de nieuwe techniek alleen gevonden werden als de laser een groepje paarse cellen beschoot, werden met de traditionele analyse ook alleen in het paarse weefsel gevonden. De metabolieten die met de nieuwe techniek gevonden werden als de laser een groepje witte cellen beschoot, werden met de traditionele analyse ook in het witte weefsel gevonden.

De landkaarten zijn nu nog in 2D. Maar de onderzoekers kijken nu ook of ze in de diepte van het plantenweefsel kunnen ‘kijken’, waardoor er zelfs 3D-kaarten gemaakt zouden kunnen worden.

Kennis voor meer en beter voedsel

Voor steeds meer inhoudsstoffen is bekend wat hun functies voor de planten zijn. Maar waar en hoe dat precies gebeurt was tot nu toe lastig te onderzoeken. Zo weten we dat bepaalde metabolieten er voor zorgen dat plant zich tegen ziekten en plagen kunnen verweren. Tot op heden konden die stoffen alleen in stukjes blad onderzocht worden, door ziek en gezond blad met elkaar te vergelijken. De Wageningse onderzoekers laten nu zien dat het ook mogelijk is om van een aangetast blaadje een nauwkeurige landkaart van de afweerreactie te maken. Deze nieuwe techniek kan ons daarmee veel meer leren over de vaak zeer plaatselijke interactie tussen planten en hun belagers. Die kennis kan gebruikt worden voor de ontwikkeling van gewassen die zich beter kunnen verweren tegen ziekten en plagen en daardoor meer en beter voedsel kunnen produceren.