Hoe planten floreren dankzij aanpassingen aan hun omgeving

Planten zijn gebonden aan de plek waar ze ontkiemen. Maar zijn ze daarmee weerloos? “Allerminst,” stelt prof Mark Aarts in zijn inaugurele rede getiteld ‘What nature can offer – insights into genetics of plant adaptation’. Hij kijkt naar de variatie in planten en de bijbehorende eigenschappen, zoals de hoeveel koolstofdioxide die ze vastleggen of de manier waarmee ze met zware metalen omgaan, en zoekt daarbij de achterliggende genetische sturingsmechanismen, zoals welke genen een rol spelen en hoe hun genetische informatie tot expressie komt.

Fotosynthese

Een van de kernthema’s in het onderzoek van prof. Aarts is het benutten van het grootste biochemische proces op aarde, de fotosynthese. Maar is dit één miljard jaar oude proces überhaupt te verbeteren? “Momenteel wordt minder dan 20% van het potentiële fotosynthesevermogen van gewassen gebruikt,” zegt de hoogleraar. “Daarom moeten we bekijken welke factoren limiterend zijn voor de volledige benutting van fotosynthese.” Uit onderzoek blijkt dat ook het fotosyntheseproces binnen één soort, zoals de aardappel, of de Chinese kool, genetische variatie kent: sommige exemplaren leggen koolzuurgas sneller vast dan andere. “Inmiddels hebben we één gen, waarvoor in de natuur varianten aanwezig zijn, weten te identificeren in Arabidopsis, onze modelplant. Dat betekent dat het ook mogelijk moet zijn om dit bij gewassen voor elkaar te krijgen en dat fotosynthese via klassieke veredeling of moderne CRISPR-Cas technologie te verbeteren is.”

Andere opties zijn om woestijnplanten te bestuderen, zoals Camessonia, of invasieve soorten zoals Hirschfeldia, uit de familie van de kolen, die ongelooflijk snel groeien, vooral door de extreem hoge fotosynthese, waarmee per vierkante meter rond de vijftig micromol koolstofdioxide per seconde wordt vastgelegd. Ter vergelijking: de erwt komt niet verder dan 15 micromol per vierkante meter per seconde. “Met de genoominformatie van Hirschfeldia of Camessionia hebben we een referentie in handen om de genen te identificeren die voor deze buitengewone fotosynthesesnelheid van belang zijn,” licht prof. Aarts toe.

Tolerantie voor zware metalen

Inzicht in de enorme variatie die voor bepaalde eigenschappen in de natuur te vinden is kreeg prof. Aarts door een andere opmerkelijke soort te bestuderen. De Zinkboerenkers is van nature tolerant voor enorm hoge concentraties zware metalen, zoals zink, nikkel en cadmium. Via de wortels worden deze giftige stoffen, ook van verontreinigde grond, opgenomen en opgeslagen in de bovengrondse delen. Gemeten concentraties in de natuur kunnen oplopen tot één procent voor zink of nikkel en 0,1 procent voor cadmium, honderd maal hoger dan in ‘normale’ soorten. “Het beschermt de plant in de natuur tegen insectenvraat of schimmelaantastingen,” zegt prof. Aarts. “De metaaltolerante plant gebruikt daarvoor genen die andere planten ook hebben alleen zijn deze genen in Zinkboerenkers vaak verdubbeld of komen nog vaker voor. Dat maakt de genen altijd en bovenmatig actief, vergeleken met normale planten. Het verdubbelen van nuttige genen is een belangrijk evolutionair fenomeen dat we beter proberen te begrijpen, ook al omdat het ook nuttige toepassingen in de landbouw kan hebben.”

Zinkefficiëntie verbeteren

Is het ook interessant om meer van de functie van deze genen te weten? “Zinktekort is samen met gebrek aan vitamine A en ijzertekort een groot probleem in ontwikkelingslanden, het treft een derde van de wereldbevolking. Als we de manier kennen waarop planten met tekorten of overschotten van zink omgaan kunnen we nieuwe variëteiten van gewassen maken die efficiënter zijn met zink en het gehalte in het dieet verhogen.” Zo blijkt uit onderzoek dat in het onderzoeksplantje Arabidopsis de ‘zinkopnamegenen’ vooral ‘s middags actief zijn en dat de zinkopname juist vlak daarna het hoogst is. “Zo kunnen we veel nauwkeuriger adviseren over het toedienen van meststoffen.”

Momenteel richt een studie van prof. Aarts zich op de snelle evolutie van Arabidopsis: kan de plant zich in enkele generaties aanpassen aan hoge concentraties zink? En hoe doet de plant dat? Maakt zij bijvoorbeeld extra kopieën van de relevante genen? Zes grote veredelingsbedrijven hebben hiervoor al belangstelling getoond.

Tekst: Wageningen University & Research
Foto's: Wout van der Slikke