‘Planten laten zich te veel opjutten door de buren’

‘Dit is het fruitvliegje onder de planten.” Ronald Pierik (43), hoogleraar Plant Photobiology aan de Universiteit Utrecht, buigt zich over een net ontkiemd exemplaar van Arabidopsis thaliana: de zandraket. Een eenjarige plant met een rozet van kleine groene blaadjes, waaruit een lange stengel met witte bloemen groeit. „De modelsoort van genetisch plantonderzoek, net zoals het fruitvliegje dat is bij dieronderzoek. De hele genoomsequentie is al bekend en voor vrijwel elk van de pakweg 27.000 genen is een mutant beschikbaar. Als je denkt dat een bepaald gen belangrijk is, kun je dat controleren door het gen uit te schakelen met behulp van zo’n mutant, en zien hoe de plant reageert.”

Pierik staat in een smetteloos witte klimaatkamer. Een ruimte van pakweg 3 bij 5 meter waar temperatuur, luchtvochtigheid en licht 24 uur per etmaal gereguleerd worden. Er klinkt een continu luid gebrom van het ventilatiesysteem – wie in deze kamer langdurig zandraketten bestudeert, moet oordoppen in. Échte fruitvliegjes vliegen hier niet. Her en der staan biologische bestrijdingsdoosjes, mocht er per ongeluk een vliegje meekomen.

Begin dit jaar ontving Pierik een Vici-beurs, waarmee hij de komende vijf jaar verder onderzoek zal doen. De centrale vraag luidt: hoe beïnvloedt licht de ‘architectuur’ van planten, de wijze waarop de wortels, de stengels, de bladeren groeien?

Dat is onder andere belangrijke informatie voor de landbouw, legt hij uit. „Daar willen boeren het liefst zo veel mogelijk monocultuurgewassen op een zo klein mogelijk oppervlak. Al die planten schieten snel de hoogte in, om maar niet minder licht dan hun buren te vangen, waarbij ze elkaars licht wegnemen. Dat is de tragedy of the commons: door die groei putten ze hun bronnen en zichzelf uit, terwijl het zinloos is, want de buren groeien even hard. Ook wij ondervinden er de nadelen van, want de groei van de stengel gaat ten koste van de delen die we wél willen eten: de bladeren, de wortels, de knollen. Dan krijg je van die hele armetierige radijsjes bijvoorbeeld: niet bolrond, maar langwerpig en dun.”

Met de huidige stand van moleculaire biologie en genetica is het mogelijk om die groei zodanig te beïnvloeden dat de planten zichzelf niet nodeloos uitputten, en zich niet zo laten opjutten door hun buren. Maar dan moeten we wel eerst weten wáár in de plant die groei wordt beïnvloed. En dus doen Pierik en zijn collega’s onderzoek van de diepste zijwortels tot aan de hoogste bladerpunten.

De wortels

Het lijkt onwaarschijnlijk dat de zon invloed heeft op de ondergrondse delen van een plant. Toch wordt de wortelgroei beïnvloed door licht, laat Pierik zien in de klimaatkamer. Sommige zandraketjes bevinden zich in een soort gekanteld petrischaaltje, waar de wortels ongelimiteerd in 2D kunnen groeien: de diepte in en opzij. De petrischaaltjes zijn afgedekt met zwart karton, zodat de wortels geen direct licht van de klimaatkamer kunnen waarnemen. De bladeren daarentegen staan in vol licht, en sommige planten krijgen zelfs een extra ‘shot’ ver-rood licht. „Als wij hetzelfde deel van het lichtspectrum zouden waarnemen als planten, dan zouden ze er niet groen uitzien. Want planten weerkaatsen niet alleen groen licht, maar ook veel ver-rood licht.” Dat is dichtbij het rode licht dat wij zien, maar heeft een iets langere golflengte, rond de 730 nanometer, voor ons onzichtbaar. „Zouden we dat wél als donkerrood zien, dan zou het door de bladeren gereflecteerde ver-rood zich met het groen mengen tot een soort roodbruin.”

Midas Dekkers en Frans de Waal: ‘We zijn biologen, we horen op de beestjes te passen’

Planten nemen licht waar met fotoreceptoren: speciale lichtgevoelige moleculen in de bladeren en stengels, legt Pierik uit. Een deel daarvan is specifiek gevoelig voor het blauwe deel van het lichtspectrum, en regelt bijvoorbeeld het dag-nachtritme van de plant. Een ander deel is juist gevoelig voor de verhouding tussen ver-rood en rood licht.

„In zonlicht is die verhouding min of meer gelijk. Maar wanneer planten in elkaars schaduw staan, dan zullen ze naar verhouding extra veel ver-rood ontvangen – dat van het directe zonlicht, en de door hun buren gereflecteerde straling.” Daar reageren de planten dus op door de hoogte in te schieten: ze worden ‘gewaarschuwd’ voor aanstaande competitie, voor naderende schaduw. Ondergronds gebeurt er ook wat: de hoeveelheid zijwortels neemt af. „De bovengrondse delen geven aan de ondergrondse delen als het ware door: er is iets aan de hand hier, dus we gaan even herprogrammeren.”

Planten detecteren op verschillende manieren hun buren: via ver-roodlicht, via organische ‘geurstoffen’ en via tast. Als een plant signaleert dat hij veel buren heeft, is het wellicht minder voordelig om veel lange zijwortels te maken, zegt Pierik. De kans is tenslotte groot dat de nutriënten uit de bodem verderop al door de wortels van de buurman zijn opgenomen. En dus investeert de plant vooral in de bovengrondse delen. „Tenzij de plant in nitraat- en fosfaatarme condities groeit. Dan kan de plant het zich niet veroorloven weinig in de wortels te investeren.”

Dat is ook in de petrischaaltjes te zien: de planten die met extra veel ver-rood licht zijn beschenen, maken stelselmatig minder wortels aan. Die wortelrespons geldt niet alleen voor zandraket, maar ook voor sla, komkommer en tabak – planten uit heel diverse families. „Het lijkt dus om een vrij universeel gegeven te gaan.”

Een belangrijke boodschapper binnen de plant is het hormoon auxine. „Dat stuurt de ontwikkeling van de plant, en is vooral aanwezig in de jongste blaadjes en in de bladpunten. Vanuit daar wordt het onder andere naar de wortels getransporteerd. De cellen in het primordium – de zijwortel in aanleg – pompen auxine naar omliggende cellen. Daardoor laten de celwanden los, ontstaat er een soort wond en kan de zijwortel erdoorheen groeien. Als er extra ver-rood licht op de blaadjes schijnt, neemt de hoeveelheid auxinetransporteiwitten in de cellen bij het primordium af en komt er minder auxine in de omliggende cellen terecht.”

Mini-spotlights

Wat onder de grond gebeurt, gebeurt boven de grond in grote lijnen ook. De takken van individuele bomen blijven zoveel mogelijk uit elkaars buurt. „Afgelopen jaar was ik op Hawaii, en daar zag ik hoe de boomkronen elkaar net niet raakten, overal zat netjes dezelfde afstand tussen, waardoor een heel mooi lijnenpatroon ontstond. Crown shyness wordt dat ook wel genoemd. In Nederlandse aangeplante productiebossen zie je dat ook: staan ze dicht op elkaar, dan blijven de stammen recht en dun en reiken de takken niet ver.”

Daarnaast zorgt ver-rood licht bovengronds dus ook voor verticale groei: de stengel wordt extra lang, en de bladeren richten zich omhoog. Dat kun je al meten over een tijdspanne van uren.

De onderzoeksgroep van Pierik kijkt niet alleen experimenteel naar die bovengrondse groei, maar maakt samen met modelleurs ook computermodellen om te voorspellen hoe de planten zullen reageren bij bepaalde hoeveelheden schaduw en bepaalde mutaties. „Het computermodel voor de zandraket is heel precies, en maakt ook continu aanpassingen aan de hand van de tijd van de dag en de stand van de bladeren. Het model helpt ons bij vragen als ‘levert ingrijpen in de bladstandrespons betere productie op?’ Dan kunnen we bijvoorbeeld invoeren: word maar even ongevoelig voor ver-rood licht. In een model en bij zaailingen is dat minder complex dan bij levende volwassen planten, maar het helpt ons om de dynamiek te begrijpen.”

Het ultieme doel is om planten zo te verbeteren dat ze het beter doen als collectief, bij een hoge vegetatiedichtheid

Ronald Pierik

In de klimaatkamers zijn mini-spotlights aanwezig, gemaakt van (ver-)rode led-lampjes die uit een soort balpenpunt schijnen. „Als je met zo’n spotlight alleen extra ver-rood op de bladsteel schijnt, dan wordt die heel lang, maar het blad richt zich niet op. Alleen als je met het licht op het uiteinde van het blad schijnt, zie je die opwaartse beweging. Dat is bijzonder, want de bladbeweging zelf komt juist vanuit de basis van die bladsteel, en de informatie komt dus helemaal vanaf de andere kant van het blad. Ook dat heeft te maken met auxinetransport.”

De komende jaren willen Pierik en zijn team de interne informatieoverdracht van planten, „het continuüm van superlokale responsen tot de communicatie tussen bladpunt en wortel”, beter leren begrijpen. „Wáár een plant iets waarneemt, heeft dus invloed op de output. Een blad dat als eerste ver-rood licht waarneemt, vertelt aan de rest van de plant ‘er zijn kapers op de kust’ en past zelf zijn houding daarop aan. Daardoor werpt hij wellicht ook extra schaduw op de andere bladeren. Wat wij willen weten is hoe alle spatiële processen tegelijkertijd optreden en hoe de plant coördinatie weet te houden.”

Ver-rood licht is een ‘vroege waarschuwing’ zegt Pierik. „Zodra planten dat detecteren, gaan ze in de startblokken staan. Als ook blauw licht uit het spectrum verdwijnt, door absorptie voor fotosynthese, is het echt alle hens aan dek in de plant.” Het ultieme doel is om planten zo te verbeteren dat ze het beter doen als collectief, bij een hoge vegetatiedichtheid, zegt Pierik. „Maar voorlopig werken we alleen nog met laboratoriumplanten. Deze gaan we niet opeten.”

Betere voedselgewassen

Mensen voelen volgens Pierik vaak afkeer bij de woorden ‘mutatie’ en ‘genetische aanpassing’. „Maar er ontstaan in levende organismen heel veel mutaties, niet alleen in ons lichaam maar ook in planten. Enkele mutaties zijn inderdaad gevaarlijk, maar de meeste zijn onschuldig en sommige zijn zelfs gunstig. Met de huidige stand van de moleculaire plantenbiologie kunnen mensen heel precies aanpassingen creëren, zonder ruis eromheen.

„In het wetenschappelijk onderzoek worden steeds weer nieuwe technologieën ontwikkeld, waardoor de wetenschap vooruit komt. Als iemand zou zeggen: we gaan die ontwikkelingen gebruiken om gewassen genetisch te modificeren, dan zal dat bij sommige mensen weerstand oproepen. Maar als je zegt: we gaan gewassen verbeteren door te veredelen in bestaande populaties van zaden, dan heeft niemand daar problemen mee”, zegt Pierik. „Terwijl je in feite hetzelfde nastreeft: een plant met optimale eigenschappen. Dankzij de moleculaire genetische benadering kun je alleen veel gerichter te werk gaan. Het is simpelweg een preciezer gereedschap dan bijvoorbeeld conventionele kruisingen.”