Het grootste deel van een plant bevindt zich ondergronds. Dit verdoken wortelsysteem is essentieel voor de plant: het levert stabiliteit, water, en voedsel. In tegenstelling tot zoogdieren waarbij het lichaamsplan al vastligt bij de geboorte, verzekert de vorming van nieuwe worteltakken dat het wortelsysteem blijft groeien gedurende het hele leven van een plant. Wetenschappers hebben een nieuwe component geïdentificeerd die de vorming van worteltakken controleert.
Orgaanvorming bij planten
Prof. Ive De Smet (VIB-UGent Centrum voor Plantensysteembiologie) en zijn team bestuderen hoe planten omgaan met veranderingen in hun omgeving, specifiek met extreme temperaturen en droogte.
Prof. Tom Beeckman (VIB-UGent Centrum voor Plantensysteembiologie) en zijn team verkennen hoe wortels geëvolueerd zijn en zich ontwikkelen. In planten worden voortdurend nieuwe organen gevormd. Om dit mogelijk te maken, is er een strikte regulering nodig die bepaald waar en wanneer een nieuw orgaan gevormd wordt, en die instaat voor hoe de cellen die dit nieuwe orgaan zullen vormen moeten groeien en delen.
Om de orgaanvorming in planten te onderzoeken gebruikten de wetenschappers wortelvorming als modelsysteem. Dit proces vindt continu plaats in groeiende wortels, waardoor het wortelsysteem blijft uitbreiden, en heeft een erg fijn afgestemde coördinatie nodig van de asymmetrische celdeling die leidt tot nieuwe wortels. Dit moet ook gesynchroniseerd worden met processen in naburige weefsels van de plant. Het harmoniseren van deze gebeurtenissen verzekert dat de wortels op de best mogelijke manier groeien om efficiënt gebruik te maken van de voedingsstoffen en het water in de bodem.
Controle van de wortelgroei
Dr. Ramakrishna (Universiteit van Nottingham), de eerste auteur van de studie, legt uit hoe het team een nieuwe stof ontdekte waarmee planten de wortelgroei controleren: “Om nieuwe stoffen te ontdekken die een rol spelen in het reguleren van de wortelvorming, onderzochten we welke genen worden geactiveerd tijdens de vroege fasen van dit proces. Dit leidde tot de identificatie van EXPANSIN A1 (EXPA1), een enzym dat de celwand wijzigt en dat een rol speelt in de controle van de celdelingen die leiden tot de groei van een nieuwe wortel. Mutaties in het EXPA1-gen resulteerden in de zwelling van de wortelcellen die uitgroeien tot zijwaartse wortels. Door deze zwelling verliep de eerste celdeling, en daardoor ook de vorming van nieuwe worteltakken gebrekkig.”
De identificatie van EXPA1, een celwand-enzym dat actief is in de ruimte buiten de cellen en zo celdelingen controleert, suggereert dat er een veel grotere diversiteit is aan eiwitten die in achting moeten genomen worden om het proces van wortelvorming te begrijpen.
Beter aangepaste wortelsystemen
Prof. Tom Beeckman (VIB-UGent) voegt toe: “Het identificeren van dit enzym is slechts de eerste stap. De volgende uitdaging is om te ontdekken hoe de aanpassingen in de celwand de celgrootte controleren en hoe dit wordt geharmoniseerd met andere moleculaire processen gedurende wortelvorming.”
Prof. Ive De Smet (VIB-UGent) vervolgt: “Uiteindelijk streven we ernaar te begrijpen hoe planten reageren op hun steeds veranderende omgeving. Verbetering van de architectuur van wortelsystemen kan bijdragen tot een efficiëntere opname van voedingsstoffen uit de bodem en een betere verankering van de plant, en dus tot de stabilisatie van de opbrengst van gewassen gedurende slechtere omgevingsomstandigheden.”
Deze studie, en de nieuwe onderzoeksvragen die ze oproept, kan leiden tot innovatieve technieken waarmee de architectuur van het wortelsysteem kan worden aangepast om de opbrengst van gewassen en hun weerstand tegen droogte en voedingstekort te verbeteren.
Publicatie
EXPANSIN A1-mediated radial swelling of pericycle cells positions anticlinal cell divisions during lateral root initiation, Priya Ramakrishna et al., PNAS 2019
