Het plantenleven vooruit- en terugspoelen

Leidse onderzoekers vonden een manier om plantenleven te besturen. Met twee genen kunnen ze de levensfases ‘doorspoelen’ om snel nakomelingen te krijgen, of ‘terugspoelen’ naar een vroegere levensfase om zo de plant een tweede leven te geven.

Eenjarige planten ontkiemen uit hun zaadje, groeien de hoogte in, vormen bloemen en zaden en gaan vervolgens dood. Dat gebeurt in een vaste volgorde met een ongeveer vaste tijdschaal. Leidse onderzoekers brengen daar verandering in. Zij ontdekten nieuwe genetische bestuurders van de levenscyclus. Door te spelen met die genen kunnen ze eenjarige gewassen meerdere malen oogsten of planten sneller zaden laten maken.

Moleculaire afstandsbediening

“Bij het verouderingsproces van planten onderscheiden we vier levensfases”, zegt Remko Offringa, hoogleraar plantengenetica aan de Universiteit Leiden en leider van het onderzoek. Een plant ontstaat als embryo in een zaadje en groeit daarna uit tot zaailing, volwassen plant en gaat tot slot over naar de voortplantingsfase.

De overgang van de ene naar de volgende levensfase wordt geregeld door twee genen. Het verjongingsgen AHL15 dat de Leidse onderzoekers ontdekten houdt de overgang tegen, terwijl de SPL verouderingsgenen juist de levenscyclus vooruit duwen. Die competitie zorgt voor een goed gebalanceerde groei en ontwikkeling. “Een plant moet lang genoeg de tijd krijgen om zich te ontwikkelen in iedere fase”, zegt Offringa.

De wetenschappers voerden het grootste deel van hun onderzoek uit in zandraket (Arabidopsis thaliana).

In het lab hackten onderzoekers dit mechanisme. Door het verouderings- of verjongingsgen aan te schakelen, konden ze de vier levensfases van het plantenleven vooruit- of terugspoelen. Dat is te vergelijken met een film van vier scenes lang en een afstandsbediening met twee knoppen. Daarmee kunnen wetenschappers niet zozeer de hele film versneld afspelen of een paar seconden terugspoelen, maar wel naar de volgende of vorige scene springen. Onlangs publiceerden de wetenschappers hun eerste resultaten over het verjongingsgen in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Plants. Binnenkort verschijnen ook de vervolgonderzoeken in wetenschappelijke tijdschriften.

Meer oogst

Van de ene naar de andere levensfase springen kan handig zijn in de landbouw. Eenjarige planten zoals rijst en tarwe bloeien slechts een keer en leveren zo een eenmalige oogst. Daarna moeten boeren nieuwe gewassen zaaien. Maar door het verjongingsgen aan te schakelen, keren de planten terug naar een vorige levensfase. In plaats van dood te gaan, groeien de gewassen door en maken ze voor een tweede keer bloemen en vruchten aan. Dat betekent dat boeren meerdere keren dezelfde planten kunnen oogsten. Daardoor hoeven ze minder te ploegen, blijft het bodemleven langer in stand en ontwikkelen de planten grotere en robuustere wortelsystemen waardoor ze minder vatbaar zijn voor droogte.

Uitgelicht door de redactie

Geesteswetenschappen
‘We moeten ervoor waken dat we coronamoe worden’

Informatica
‘Laat zien wat er binnen de coronaregels nog wel mag’

Geneeskunde
Van ontstekingsremmers tot bloedplasma

Dit trucje kan helaas niet eindeloos herhaald worden, vermoedt Offringa. “Ik denk dat twee tot drie oogsten optimaal is. Daarna moeten boeren nieuwe gewassen planten.” Dat heeft vooral te maken met ziektes. Wanneer gewassen te lang op een veld staan, stapelen ziekteverwekkers zich op en verspreiden ze zich van plant naar plant. Verder is het nog maar de vraag hoeveel bloemen en vruchten zo’n gewas in de tweede ronde vormt. Er zijn bijvoorbeeld rijstsoorten die van nature tweemaal bloeien. Maar de tweede oogst levert minder zaden op. Toch zien de onderzoekers dat verschil niet in het laboratorium. “Daar werken we met zandraket”, zegt Offringa. “En vrucht- en zaadproductie kan nog wel eens verschillen per gewas.”

Stamcellen

De schakeling tussen de levensfases heeft alles te maken met stamcellen: cellen die zich oneindig kunnen blijven delen en zo nieuwe stengels met bladeren of bloemen vormen. Groepjes van deze cellen bevinden zich onder andere in de top van de plant en in de bladoksels.

Aan het einde van hun leven, zetten eenjarige planten al hun stamcellen om in bloemen en zaden. Dat is een eindig stadium, waarna de plant geen stamcellen over heeft om nieuwe stengels en bladeren te vormen. “Om eenjarige planten meerdere keren te laten bloeien, dwingen we de plant groepjes stamcellen te behouden”, zegt Offringa. Dat doen we met het verjongingsgen. Daarna groeien vanuit de stamcellen in bladoksels nieuwe stengels en bladeren. Op die manier laten de wetenschappers eenjarige planten, zoals de zandraket, meerdere keren bloeien.

Veredelaars en chrysantenkwekers

De moleculaire afstandsbediening werkt ook de andere kant op. Door de SPL verouderingsgenen aan te schakelen, of het verjongingsgen te onderdrukken, gaat de plant in een rap tempo door alle levensfases heen. Tijdbesparend voor plantenveredelaars die snel nakomelingen van planten in handen willen hebben om zo sneller een gewenste eigenschap in een plant of gewas te verwerven.

Een nadeel wanneer zo’n plant snel van de ene naar de andere levensfase doorschakelt is dat hij niet genoeg tijd heeft om zich volledig te ontwikkelen. “In ons onderzoek zagen we dat zulke planten kleiner bleven en weinig zaad maakten”, vertelt Offringa. Gelukkig maakt dat voor veredeling niet uit. Veredelaars hebben slechts een handjevol zaden nodig om mee verder te telen.

De ontdekking kan ook een uitkomst bieden voor chrysantenkwekers.

De ontdekking kan ook chrysantenkwekers uit de brand helpen. Zij merken dat hun bloeiende planten bij te hoge temperaturen weer stengels met bladeren maken in plaats van kleurrijke bloemen. “Dat lijkt erg op wat wij zien als we het verjongingsgen aanschakelen”, zegt Offringa. Hij vermoedt dat dit gen de boosdoener is van het chrysantenprobleem. “Wellicht activeert de warmte het verjongingsgen, waardoor de chrysanten terugkeren naar een eerdere levensfase”. Hier zouden wetenschappers dus met hun moleculaire afstandsbediening de chrysanten in de voortplantingsfase kunnen houden.

Gebruik maken van omgevingsfactoren

De verjongings- en verouderingsgenen lijken brede toepassingen te hebben in de plantenwereld. Maar de sleutelvraag is hoe nauwkeurig de moleculaire afstandsbediening werkt in de buitenwereld. “In het laboratorium zijn er voldoende manieren om genen aan- en uit te zetten”, legt Offringa uit. “Het probleem is dat we daarbij aanpassingen in het DNA van de plant moeten maken.”

Omdat zulke genetisch gemodificeerde planten in Europa niet in de natuur mogen groeien, zoekt Offringa naar andere manieren om de genen aan en uit te zetten. Dat zou bijvoorbeeld kunnen door omgevingsfactoren te gebruiken. “Door het chrysantenprobleem vermoed ik dat warmte het verjongingsgen aanschakelt”, aldus Offringa. “We onderzoeken nu of bijvoorbeeld warmte en licht de knopjes van de moleculaire afstandsbediening kunnen indrukken.”

In een vervolgonderzoek verdiept Offringa zich verder in het verjongingseiwit. “Ik wil graag achterhalen hoe dit stofje werkt en wat er precies verandert in een cel als het verjongingsgen meer of minder actief is”, vertelt Offringa. “Dat klinkt erg fundamenteel, maar die informatie hebben we nodig als we straks het gen willen aan- en uitzetten op de akkers en bossen zonder gewassen en bomen genetisch te modificeren.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink, en hoort bij het thema Voedsel produceren op Biotechnologie.nl.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden