ERC Synergy Grant voor onderzoek naar de eerste seconden van plantencelcommunicatie

Planten krijgen voortdurend prikkels te verwerken, zoals warmte, licht, hormonen, voedingsstoffen en ziekteverwekkers. Wat er daarna precies in de cel gebeurt, weten wetenschappers nauwelijks. Dolf Weijers, hoogleraar Biochemie aan Wageningen University & Research (WUR), onderzoekt samen met collega’s uit Gent, Zürich en Madrid hoe die vroege communicatie verloopt. De wetenschappers willen achterhalen welke receptoren signalen opvangen en welke biochemische processen daarna plaatsvinden. 

Het team gaat zestig signalen doorlichten, van voedingsstoffen als nitraat en fosfaat tot pH en signalen van ziekteverwekkers. Aangezien planten in de natuur zelden maar één prikkel tegelijk krijgen, bestudeert het team daarom ook hoe plantencellen verschillende signalen combineren: versterken ze elkaar, werken ze elkaar tegen of leidt een combinatie tot een heel andere reactie?
Tot nu toe keken onderzoekers vooral naar trage reacties die minuten tot uren na een prikkel optreden, zoals het aan- en uitschakelen van genen. Toch kunnen juist in die eerste seconden belangrijke veranderingen plaatsvinden die wetenschappers helpen om planten en hun celcommunicatie beter te begrijpen. “Eigenlijk is het vanzelfsprekend dat die eerste stappen binnen seconden plaatsvinden”, zegt Weijers. “Alle moleculen voor zo’n signaal zijn immers aanwezig in de cel. Ze hoeven alleen maar met elkaar te binden of van vorm te veranderen. Toch hebben we die processen nog nooit op die manier onderzocht.”

Om de vroege reacties zichtbaar te maken, gebruiken de onderzoekers een microfluïdische chip: een kunststof plaatje van grofweg vijf bij vijf centimeter. Daarin mengen ze gekweekte plantencellen binnen milliseconden met een vloeistof met het te onderzoeken signaal. Vervolgens bevriezen ze de cellen na bijvoorbeeld één, tien of zestig seconden. Met massaspectrometrie meten ze vervolgens veranderingen in de eiwitten van de cel, waaronder fosforylering: een proces dat eiwitten aan- of uitschakelt en zo signaleringsprocessen beïnvloedt.

Eerste experimenten met flagelline, een onderdeel van bacteriën, laten zien hoe snel de processen verlopen. Sommige veranderingen in de signaleringsroute hielden slechts vijf seconden aan. Bij gebruikelijke meetmomenten, bijvoorbeeld een kwartier na de prikkel, zouden die reacties onopgemerkt blijven. De resultaten laten bovendien zien dat de cel niet alleen het aanschakelen, maar ook het uitschakelen van eiwitten strikt reguleert. Weijers: “Dit brengt ons dichter bij de manier waarop een cel zijn omgeving daadwerkelijk waarneemt. Er gaat een wereld voor ons open die we tot nu toe simpelweg niet konden zien. Niet alleen omdat de technologie ontbrak, maar ook omdat we ons onvoldoende realiseerden hoeveel er in die eerste seconden gebeurt.”

Het project brengt expertise samen van vier onderzoeksgroepen: WUR, Universiteit Gent, Universiteit Zürich en de Polytechnische Universiteit van Madrid. De teams combineren kennis van signaalbiochemie, celbiologie, eiwitanalyse en computationele modellering. Samen analyseren ze ongeveer negenduizend monsters en ontwikkelen ze modellen om te voorspellen hoe plantencellen op verschillende signalen reageren.

De ERC Synergy Grant is de grootste beurs die het ERC uitreikt. Deze prestigieuze subsidie ondersteunt twee tot vier hoofdonderzoekers bij het gezamenlijk uitvoeren van grensverleggend onderzoek. Het doel is om complexe wetenschappelijke vragen aan te pakken die alleen via samenwerking tussen complementaire experts kunnen worden beantwoord.