Plantencellen groeien anders dan biologen dachten

Biologie Een cel kan lokaal uitzetten of vervormen dankzij het bindmiddel pectine, precies als bij een toetje. „Dit is een zeer gedetailleerd en interessant verhaal.”

Het eerste blad van een ontkiemende zandraket. Links (bruin) de gelobde pavement cells, midden (magenta) diverse uitstulpingen en rechts (groen) de interne bladstructuur.
Het eerste blad van een ontkiemende zandraket. Links (bruin) de gelobde pavement cells, midden (magenta) diverse uitstulpingen en rechts (groen) de interne bladstructuur. Foto Kalina T. Haas en Alexis Peaucelle

De leerboeken biologie moeten herschreven worden. Plantencellen blijken namelijk een alternatief mechanisme te hebben om te groeien en vervormen. Hierbij speelt pectine, een bekend bindmiddel, een centrale rol. De internationale groep wetenschappers die dit heeft ontdekt, publiceerde haar resultaten vrijdag in het tijdschrift Science.

„Dit is een zeer gedetailleerd en interessant verhaal”, reageert Teun Munnik opgewonden op de publicatie. De universitair hoofddocent plantencelbiologie aan de Universiteit van Amsterdam is niet betrokken bij het onderzoek, maar werkt wel aan precies dit onderwerp: het uitzetten en vervormen van cellen.

Drukken tegen de celwand

Volgens de leerboeken zet een plantencel uit via een mechanisme waarbij de zogeheten vacuole, een blaasje gevuld met vocht, zout-ionen opneemt. In reactie daarop gaat de cel water opnemen, om de zoutconcentratie binnen en buiten gelijk te krijgen. Zo vult de vacuole zich met water. Dat kan zover gaan dat de vacuole tegen de celwand drukt, en die wand ook uitrekt. Deze druk heet turgor. Het is een centraal begrip in de plantenbiologie.

„Een plant heeft allerlei gebieden die moeten groeien”, vertelt Munnik op zijn werkkamer, tussen de boeken en papieren. Hij noemt als voorbeeld de wortelpunt. „Een millimeter boven die punt bevindt zich de elongation zone. In die zone rekken cellen zich naar beneden uit, en zo drukken ze de wortel verder de grond in.” Ook wortelharen, voor de opname van water en voedingsstoffen uit de bodem, groeien. Net als de pollenbuis, de buis die uit een stuifmeelkorrel groeit richting de eicel, zodat er bevruchting kan plaatsvinden. „Dat is het snelst groeiende weefsel in een plant”, zegt Munnik.

In het nu gepubliceerde onderzoek bekeken de wetenschappers de twee blaadjes die uit ontkiemend zaad van de zandraket groeien – dat is een veel gebruikte modelplant. Op het oppervlak van de bladeren zitten cellen met een typische kronkelende structuur (pavement cells). Ze liggen als puzzelstukjes in elkaar. „Er zijn geen andere plantencellen met zo’n gelobde structuur”, zegt Munnik, terwijl hij op de computer een foto ervan opzoekt.

Niemand had het aangedurfd de ‘heilige graal’ te ondermijnen

Dat de cellen gelobd zijn duidt er al op dat turgordruk hier niet het centrale proces voor groei en vervorming kan zijn, laat eerste auteur Kalina Haas van de Universiteit van Cambridge via e-mail weten. „De vacuole zet naar alle kanten even veel uit, maar deze cellen hebben uitstulpingen en inhammen”, schrijft ze. Hoewel er volgens haar veel wetenschappers zijn die al jaren onderzoek doen aan deze gelobde cellen, heeft niemand het tot nog toe „aangedurfd de heilige graal van de turgordruk te ondermijnen”. Dat doet zij nu wel, samen met drie collega’s.

In de onderzochte cellen vormen sommige lobben zich al vóór de kieming, schrijft Haas. „Maar de meeste ontstaan daarna.” Pectinedraadjes (nanofilamenten) blijken in dit proces een centrale rol te spelen, zo hebben de onderzoekers nu ontdekt via een trits aan technieken en een computermodel.

Munnik legt het mechanisme verder uit. In de cel zijn al pectinedraadjes aanwezig, maar in een chemische vorm (gemethyleerd) waarbij ze niet actief zijn. Zodra er een signaal komt dat de cel op een bepaalde plek moet uitzetten of vervormen, komt op die plek een proces op gang. De pectinedraadjes worden via blaasjes naar de plasmamembraan getransporteerd. De blaasjes versmelten met die membraan en lozen hun inhoud in de daaromheen liggende laag, de celwand (dierlijke cellen hebben geen celwand, maar een matrix net buiten de cel die stevigheid geeft). Enzymen verwijderen daar de methylgroep van de pectinedraadjes.

Slagroom en mangopuree

In die veranderde chemische vorm kunnen ze binden aan een calcium-ion. Die combinatie kan water absorberen, en dat zorgt er weer voor dat de pectinedraadjes onomkeerbaar zwellen. Zo kan een cel lokaal uitzetten of vervormen. „En het geeft de cel ook stevigheid”, zegt Munnik, die het proces vergelijkt met het geleren van een toetje. Als je opgewarmde agar bij een vloeistof (melk, slagroom, mangopuree) doet, en het mengsel laat afkoelen, stijft het op. „In agar zit pectine. Er gebeurt hier precies hetzelfde”, zegt hij. Plantenzaden hebben in hun huid ook veel pectine. „Om bij ontkieming water op te nemen.”

Een vraag die volgens Haas nog open blijft is waarom de onderzochte cellen lobben vormen. De meningen daarover zijn verdeeld. „De min of meer geaccepteerde verklaring is dat het stevigheid, maar ook flexibiliteit geeft doordat de cellen in elkaar geschakeld liggen als puzzelstukjes”, schrijft ze. Maar er zijn ook biologen die suggereren dat de gelobde structuur zorgt voor stressvermindering. „Stress die onder meer uit turgordruk voortkomt”, aldus Haas. „Je kunt je voorstellen dat een blad het liefst plat wil zijn en uitgestrekt, om zoveel mogelijk licht te vangen. Maar het moet ook stevig zijn. Misschien bereik je die combinatie het beste met die gelobde structuren.”

Alomtegenwoordig

Een andere vraag is hoe de pavement cells het signaal krijgen om op een bepaalde plek uit te zetten of te vervormen. Dat is waar Munnik zich in zijn onderzoek op richt. Hij heeft een receptor gevonden die hier in ieder geval een rol in speelt. „Die receptor ligt in de plasmamembraan en kan aan pectine binden.”

Haas laat weten dat ze nu andere snel groeiende plantendelen onderzoeken. Misschien speelt dat pectine-mechanisme daar ook een rol. „We denken dat het alomtegenwoordig is in planten”, schrijft ze. „Wortelharen en pollenbuizen zijn goede kandidaten om dat op te testen. Beide groeien snel, hebben veel pectinedraadjes, en het is bekend dat de uitscheiding van pectine daar ook een sleutelrol speelt.”