Pompen maken de plant

In twee publicaties in het vakblad Nature van vandaag laten Utrechtse biologen zien wat de essentie is van plantengroei. Moleculaire pompen houden de groei en ontwikkeling in stand.

Werkelijkheid en simulatie van plantenwortel overlappen exact. (UU) Universiteit Utrecht

Sander Voormolen

„Met dit onderzoek begrijpen we het eerste stapje van zelforganisatie in de plant, hoe je met een paar simpele regels iets heel ingewikkelds kunt maken”, zegt moleculair geneticus Ben Scheres, senior-auteur van beide artikelen. Op zijn werkkamer in het Kruytgebouw aan de Universiteit Utrecht, laat hij het ene prachtig gekleurde plaatje na het andere zien, allemaal microscopische opnamen van de wortelpunt van het modelplantje Arabidopsis thaliana (zandraket).

De felle kleuren geven precies aan waar in de cellen zich welke moleculen bevinden. De groep van Scheres heeft zo een volledig overzicht vergaard van welke eiwitten allemaal een rol spelen bij de groei en ontwikkeling van plantenwortels. Het levert ingewikkelde pijlenschema’s van regelcircuits, „Te ingewikkeld om op de achterkant van een bierviltje te berekenen”, aldus Scheres.

Hij riep daarom de hulp in van de vakgroep Theoretische Biologie van Paulien Hogeweg, een verdieping hoger in het universiteitsgebouw. Promovenda Verônica Grieneisen, een Braziliaanse, kwam al aan het begin van het onderzoek enthousiast naar beneden gerend. De eerste computersimulaties van wortelgroei, die ze met Stan Marée ontwikkelde, leken al verrassend veel op wat de groep van Scheres onder microscoop had waargenomen.

Een relatief simpele modellering van de verdeling van het hormoon auxine bleek te volstaan. Moleculair onderzoek had al aangetoond dat elke cel in de wortel auxinepompen heeft in het celmembraan. Afhankelijk van de plaats van de cel in de wortel sturen deze pompjes het auxine een bepaalde kant op. Toen Grieneisen die pompen in haar digitale wortelmodel inbouwde, ontstond een heel nieuw inzicht in de wijze waarop de plant zijn structuur krijgt.

In het centrum van de wortel bestaat een neerwaartse stroom van auxine en aan de buitenkant gaat het transport omhoog. Maar daartussen zit een laag cellen, die het auxine naar het centrum pompt. Zo ontstaat een kringstroom die de concentratie auxine het hoogste laat zijn in het binnenste van het wortelpuntje, precies op de plaats waar het controlecentrum van de stamcellen ligt. Dat is het centrum van de groei. Van hieruit ontstaan alle celtypen van de wortel.

Het pompsysteem is zeer robuust. Zelfs als de wortel wordt afgesneden en de auxinestroom van boven ophoudt, blijft de concentratiepiek in het controlecentrum bestaan. Dat werkt zo in het model, en dat werkt zo in in de natuur, toonde Scheres aan.

Opeens begrijpen de biologen hoe de wortel ontstaat. Scheres: „De concentratie auxine bepaalt wat cellen doen. Bij de hoogste concentraties worden het stamcellen die zich voortdurend delen. Bij gemiddelde concentraties gaan de cellen zich delen, en bij de laagste concentraties krijg je celstrekking en differentiatie.”

De modellering van auxine en pompsystemen werkt mogelijk ook aan het andere uiteinde van de plant, in de groeipuntjes in de scheut. De eerste simulaties laten al zien dat op deze manier het kenmerkende patroon van bladvorming bij planten kan worden nagebootst. Het is aan Scheres om de moleculaire werkelijkheid daarachter te ontrafelen.

De nieuwe inzichten kunnen toepassing krijgen in de landbouw, denkt Scheres. „Biotechnologen zouden tomatenplanten kunnen maken met bladeren in een krans, zodat oogsten makkelijker is. Of wortelstelsels van rijstplanten meer kunnen laten vertakken voor een goede groei.