Sommige planten kunnen maanden zonder water, om na een korte plensbui weer groen te worden. Een recent onderzoek door de universiteiten van Bonn en Michigan laat zien dat dit niet te wijten is aan een 'wondergen'. Dit vermogen is eerder een gevolg van een heel netwerk van genen, die bijna allemaal ook aanwezig zijn in meer kwetsbare variëteiten. De resultaten zijn al online verschenen in The Plant Journal.
In hun studie hebben de onderzoekers een soort onder de loep genomen die al lang is bestudeerd aan de Universiteit van Bonn: de opstandingsplant Craterostigma plantagineum. Het draagt zijn naam terecht: in tijden van droogte zou je kunnen denken dat het dood is. Maar zelfs na maanden van droogte is een beetje water voldoende om het weer op te wekken. "In ons instituut bestuderen we al vele jaren hoe de plant dit doet", legt prof. dr. Dorothea Bartels van het Instituut voor Moleculaire Fysiologie en Biotechnologie van Planten (IMBIO) van de Universiteit van Bonn uit.
Haar interesses omvatten de genen die verantwoordelijk zijn voor droogtetolerantie. Het werd steeds duidelijker dat dit vermogen niet het resultaat is van een enkel 'wondergen'. In plaats daarvan zijn er heel veel genen bij betrokken, waarvan de meeste ook voorkomen bij soorten die niet zo goed tegen droogte kunnen.
De plant heeft acht exemplaren van elk chromosoom
In de huidige studie analyseerde het team van Bartel, samen met onderzoekers van de Universiteit van Michigan (VS), het volledige genoom van Craterostigma plantagineum. En dit is behoorlijk ingewikkeld opgebouwd: hoewel de meeste dieren twee exemplaren van elk chromosoom hebben - één van de moeder, één van de vader - heeft Craterostigma er acht. Zo'n "achtvoudig" genoom wordt ook wel octoploïde genoemd. Wij mensen daarentegen zijn diploïde.
“Zo'n vermenigvuldiging van genetische informatie kan bij velen worden waargenomen planten die zijn geëvolueerd onder extreme condities', zegt Bartels. Maar waarom is dat? Een waarschijnlijke reden: als een gen in acht exemplaren aanwezig is in plaats van twee, kan het in principe vier keer zo snel worden uitgelezen. Met een octoploïde genoom kunnen dus zeer snel grote hoeveelheden van een benodigd eiwit worden geproduceerd. Dit vermogen blijkt ook belangrijk te zijn voor de ontwikkeling van droogtetolerantie.
In Craterostigma worden sommige genen die geassocieerd zijn met een grotere tolerantie voor droogte zelfs nog verder gerepliceerd. Deze omvatten de zogenaamde ELIP's - het acroniem staat voor "vroege licht-induceerbare eiwitten", omdat ze snel worden ingeschakeld door licht en beschermen tegen oxidatieve stress. Ze komen in grote aantallen voor bij alle droogtetolerante soorten.
"Craterostigma heeft bijna 200 ELIP-genen die bijna identiek zijn en zich in grote clusters van tien of twintig exemplaren op verschillende chromosomen bevinden", legt Bartels uit. Droogtetolerante planten kunnen dus vermoedelijk putten uit een uitgebreid netwerk van genen die ze bij droogte snel kunnen opwaarderen.
Droogtegevoelige soorten hebben meestal dezelfde genen, zij het in lagere aantallen. Dat is ook niet verwonderlijk: de zaden en het stuifmeel van de meeste planten kunnen na een lange periode zonder water vaak nog ontkiemen. Ze hebben dus ook een genetisch programma om zich te beschermen tegen droogte. "Dit programma wordt echter normaal gesproken uitgeschakeld bij het ontkiemen en kan daarna niet opnieuw worden geactiveerd", legt de botanicus uit. “In opstandingsplanten daarentegen blijft het actief.”
De meeste soorten kunnen droogtetolerantie aan
Droogtetolerantie is dus iets dat de overgrote meerderheid van de planten 'kan'. De genen die dit vermogen verlenen, zijn waarschijnlijk heel vroeg in de loop van de evolutie ontstaan. Deze netwerken zijn echter efficiënter bij droogtetolerante soorten en zijn bovendien niet alleen actief in bepaalde stadia van de levenscyclus.
Dat gezegd hebbende, heeft ook niet elke cel in Craterostigma plantagineum hetzelfde "droogteprogramma". Dat blijkt uit onderzoekers van de Universiteit van Düsseldorf, die ook bij het onderzoek betrokken waren. Zo zijn in wortels tijdens verdroging andere droogtenetwerkgenen actief dan in bladeren. Deze bevinding is niet onverwacht: bladeren moeten zich bijvoorbeeld beschermen tegen de schadelijke effecten van de zon. Ze worden daarbij geholpen door bijvoorbeeld ELIP's. Bij voldoende vocht vormt de plant fotosynthetische pigmenten die straling in ieder geval gedeeltelijk absorberen. Deze natuurlijke bescherming faalt grotendeels tijdens droogte. Wortels hoeven zich daarentegen geen zorgen te maken over zonnebrand.
De studie verbetert het begrip van waarom sommigen soorten zo weinig last van droogte. Op termijn zou het dus kunnen bijdragen aan de veredeling van gewassen zoals tarwe of mais die daar beter tegen kunnen droogte. In tijden van klimaatverandering zal er in de toekomst waarschijnlijk meer vraag naar zijn dan ooit.