Utrechtse biologen en internationale collega's beschrijven in twee publicaties processen die planten gebruiken om zich aan te passen aan warmte. De ontdekkingen geven inzicht in hoe planten optimaal functioneren onder suboptimale hoge temperaturen. Het zou ook een opstap kunnen zijn om de groei van planten te beheersen en ze beter bestand te maken tegen de opwarming van de aarde. De onderzoekers publiceren hun resultaten in The Plant Journal en Nature Communications.
IJsberen in de woestijn
Toch hebben veel plantensoorten manieren ontwikkeld om met hogere temperaturen om te gaan. “In tegenstelling tot dieren kunnen veel planten hun lichaamsvorm aanpassen aan warmte en andere omgevingsfactoren”, zegt onderzoeker Martijn van Zanten, verbonden aan de Universiteit Utrecht en bijgedragen aan beide publicaties. “Dieren is een heel ander verhaal. Simpel gezegd, als je een ijsbeer in de woestijn plaatst, ziet hij er nog steeds uit als een ijsbeer met een dikke bontjas. Maar als een plant in warmere omstandigheden groeit, past hij zijn lichaamsvorm daarop aan. Zo probeert de plant onder deze minder gunstige omstandigheden optimaal te functioneren.”
Van compacte tot open plantvorm
Veel plantensoorten kunnen de vorm van hun stengels en bladeren aanpassen om ze beter bestand te maken tegen hoge temperaturen. Dat geldt ook voor zandraket (Arabidopsis thaliana), door veel plantenbiologen als hun favoriete plantmodel beschouwd. In koude omstandigheden zijn deze planten compact en hebben de bladeren dicht bij de grond. Als de temperatuur stijgt, nemen ze een meer open houding aan. Bladeren komen bijvoorbeeld meer rechtop te staan. Hierdoor wordt de directe straling van de zon sterk verminderd. Bovendien strekken de bladstelen zich uit, waardoor er meer wind langs de bladeren kan en de warmte kan worden afgevoerd.
Gewenst en ongewenst uitrekken
Toch is dit soort uitrekken bij gewassen en (snij)bloemen vaak ongewenst. Telers willen deze veranderingen onder controle houden, omdat uitrekken de productkwaliteit kan belemmeren. “Maar tegelijkertijd is adaptatie nodig om gewassen beter bestand te maken tegen de hogere temperaturen als gevolg van klimaatverandering. Dat is nodig om de productie op langere termijn op peil te houden”, zegt Van Zanten.
Planten klimaatbestendiger maken
"Veel cultuurgewassen hebben het vermogen verloren om goed op hogere temperaturen te reageren", zegt Van Zanten. "In verschillende gewassen verdween het tijdens het domesticatie- en veredelingsproces omdat veredelaars zich vooral op andere eigenschappen richtten."
Met klimaatverandering die de temperatuur opdrijft, zegt Van Zanten dat er een toenemende behoefte is om planten klimaattoleranter te maken. “Daarvoor is kennis nodig over hoe planten omgaan met hogere temperaturen. Hoe zetten ze de temperatuursignalen die ze ontvangen om in groeiaanpassingen? Door onderzoek te doen naar de moleculaire mechanismen waarmee planten zich aanpassen aan suboptimale temperaturen, kunnen tools worden gebruikt om de architectuur van gewassen door middel van veredeling aan te passen.”
Moleculair mechanisme schakelt warmtehouding in
Thale-kersenplanten die zich niet meer aanpassen aan hogere temperaturen verschijnen, kunnen dat vermogen terugkrijgen bij blootstelling aan bepaalde chemicaliën. Dat ontdekte een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Van Zanten. Het team testte een groot aantal stoffen op een zandraketmutant die zich niet meer aanpast aan hoge temperaturen. Ze vonden een molecuul dat de aanpassing aan hoge temperatuur in jonge planten kan 'aanzetten', zelfs bij lage temperaturen.
De onderzoekers noemen deze verbinding 'Heatin'. Door het molecuul chemisch te modificeren en vervolgens te bestuderen welke eiwitten kunnen binden aan verwarming, vonden ze een groep eiwitten die nitrilasen worden genoemd. Het is bekend dat de geïdentificeerde subgroep alleen voorkomt in kolen en verwante soorten, waaronder zandraket.
Samen met een veredelingsbedrijf ontdekten de biologen dat koolsoorten inderdaad reageren op verhitting. Ze ontdekten ook dat de nitrilasen nodig zijn voor aanpassing aan hoge temperaturen, waarschijnlijk omdat ze de productie van het bekende groeihormoon auxine mogelijk maken. De onderzoekers publiceerden deze ontdekking in The Plant Journal.
Nieuwe weg voor aanpassing aan hoge temperaturen
De publicatie van de Heatin-resultaten valt samen met een andere publicatie, vandaag in Nature Communications. Dat onderzoek werd geleid door wetenschappers van het VIB-instituut in België, waarbij ook Van Zanten betrokken was. Het team ontdekte een voorheen onbeschreven eiwit dat de manier regelt waarop planten zich aanpassen aan een warmere omgeving. Het eiwit kreeg de naam MAP4K4/TOT3, waarbij TOT Target of Temperature betekent.
Opmerkelijk is dat het door TOT3 aangestuurde proces grotendeels onafhankelijk is van alle andere signaalroutes die biologen tot nu toe hebben gekoppeld aan warmteadaptatie in planten. Daarnaast blijken de aanpassingen door TOT3 niet afhankelijk te zijn van de hoeveelheid en samenstelling van het licht dat op een plant schijnt.
Van Zanten: “Er is veel overlap in de moleculaire mechanismen waarmee planten de groei aanpassen aan veranderende lichtsamenstelling en hoge temperatuur. Met TOT3 hebben we nu een factor in handen waarmee we de groei onder hoge temperaturen kunnen sturen, zonder de plant met licht te hinderen.”
Brede toepassingen
“Wat het nog interessanter maakt”, zegt Van Zanten, “is dat TOT3 een vergelijkbare rol speelt bij groeiadaptatie onder hoge temperatuur in zowel zandraket als in tarwe. Die twee soorten zijn genetisch behoorlijk van elkaar gescheiden. Dat biedt dus een groot potentieel voor brede toepassingen.”
Alternatief voor groeiremmers
Uiteindelijk kunnen de ontdekkingen van TOT3 en de rol van nitrilasen helpen om voldoende gewassen te blijven telen, ook als de temperatuur stijgt als gevolg van klimaatverandering. De ontdekkingen bieden ook kansen om alternatieven te ontwikkelen voor chemicaliën die nu vaak worden gebruikt om plantengroei te remmen. Als voorbeeld noemt Van Zanten snijbloemen, die zeer sterk reageren op temperatuurschommelingen. In de sierteelt worden dan ook veel groeiremmers gebruikt om de planten mooi compact te houden.
“Op het moment dat je bijvoorbeeld tulpen koopt, hebben ze nog een mooie korte steel”, zegt Van Zanten. “Maar na een paar dagen in huis beginnen ze over de rand van de vaas te hangen. De hogere binnentemperaturen zorgen ervoor dat de planten uitrekken, waardoor ze uiteindelijk slap worden en buigen. We hopen dat de nieuwe kennis zal bijdragen aan de selectie van nieuwe bloemsoorten die minder rekken bij hoge temperaturen. Zo kunnen we het gebruik van schadelijke groeiremmers verminderen.”
Voor meer informatie:
Universiteit Utrecht
www.uu.nl