Wetenschappers van de Universiteit van Californië hebben genetische gegevens ontdekt die ervoor zorgen dat voedselgewassen zoals tomaten en rijst langere, intensere perioden van droogte kunnen overleven op onze opwarmende planeet.
In de loop van het afgelopen decennium heeft het onderzoeksteam geprobeerd een moleculaire atlas van gewaswortels te creëren, waarin planten eerst de effecten van droogte en andere bedreigingen voor het milieu kunnen detecteren. Daarbij ontdekten ze genen die wetenschappers kunnen gebruiken om de planten tegen deze stress te beschermen. Hun werk, gepubliceerd op 20 mei in het tijdschrift Cel, bereikte een hoge mate van begrip van de wortelfuncties omdat het genetische gegevens combineerde van verschillende cellen van tomatenwortels die zowel binnen als buiten werden gekweekt.
"Vaak doen onderzoekers laboratorium- en kasexperimenten, maar boeren verbouwen dingen in het veld, en deze gegevens kijken ook naar veldmonsters", zegt Neelima Sinha, hoogleraar plantenbiologie aan de UC Davis en co-auteur van het artikel. De gegevens leverden informatie op over genen die de plant vertellen drie belangrijke dingen te maken.
Xylem zijn holle, pijpachtige vaten die water en voedingsstoffen van de wortels helemaal naar de scheuten transporteren. Zonder transport in xyleem kan de plant via fotosynthese zijn eigen voedsel niet aanmaken. "Xyleem is erg belangrijk om planten te beschermen tegen droogte, zout en andere spanningen", zegt hoofdonderzoeksauteur Siobhan Brady, hoogleraar plantenbiologie aan UC Davis.
Zonder het transport van plantaardige mineralen in xyleem zouden mensen en andere dieren op hun beurt minder vitamines en voedingsstoffen hebben die essentieel zijn voor onze overleving. Naast enkele typische spelers die nodig zijn om het xyleem te vormen, werden er nieuwe en verrassende genen gevonden.
De tweede sleutelreeks genen zijn de genen die een buitenste laag van de wortel aansturen om lignine en suberine te produceren. Suberine is de belangrijkste stof in kurk en omringt de plantencellen in een dikke laag, waardoor het water vasthoudt tijdens droogte. Gewassen als tomaten en rijst hebben suberine in de wortels. Appelvruchten hebben suberine rondom hun buitenste cellen. Waar het ook voorkomt, het voorkomt dat de plant water verliest. Lignine maakt cellen ook waterdicht en biedt mechanische ondersteuning.
“Suberine en lignine zijn natuurlijke vormen van bescherming tegen droogte, en nu de genen die daarvoor coderen in deze zeer specifieke cellaag zijn geïdentificeerd, kunnen deze verbindingen worden verbeterd”, zegt medeauteur van het onderzoek Julia Bailey-Serres, een UC. Riverside hoogleraar genetica. “Ik ben blij dat we zoveel hebben geleerd over de genen die deze vochtbarrièrelaag reguleren. Het is zo belangrijk om de droogtetolerantie voor gewassen te kunnen verbeteren”, zei ze.
Genen die coderen voor het wortelmeristeem van een plant bleken ook opmerkelijk veel op elkaar te lijken tussen tomaat, rijst en Arabidopsis, een onkruidachtige modelplant. Het meristeem is de groeiende punt van elke wortel, en het is de bron van alle cellen waaruit de wortel bestaat.
"Het is de regio die de rest van de wortel gaat maken en dient als stamcelniche", zegt Bailey-Serres. “Het dicteert de eigenschappen van de wortels zelf, zoals hoe groot ze worden. Kennis ervan kan ons helpen betere wortelsystemen te ontwikkelen.”
Brady legde uit dat als boeren geïnteresseerd zijn in een bepaald gewas, ze planten selecteren met zichtbare kenmerken, zoals grotere, aantrekkelijkere vruchten. Veel moeilijker is het voor veredelaars om planten te selecteren met eigenschappen onder de grond die ze niet kunnen zien.
“De ‘verborgen helft’ van een plant, ondergronds, is van cruciaal belang voor veredelaars als ze een plant succesvol willen kweken,” aldus Brady. “Als we het meristeem van de wortels van een plant kunnen modificeren, kunnen we gewassen met meer wenselijke eigenschappen ontwikkelen.”
Hoewel deze studie slechts drie planten analyseerde, is het team van mening dat de bevindingen breder kunnen worden toegepast. “Tomaat en rijst zijn gescheiden door meer dan 125 miljoen jaar evolutie, maar toch zien we nog steeds overeenkomsten tussen de genen die de belangrijkste kenmerken controleren”, zegt Bailey-Serres. "Het is waarschijnlijk dat deze overeenkomsten ook voor andere gewassen gelden."