Je leest:

Deze kant boven: gravitropisme in planten

Deze kant boven: gravitropisme in planten

Auteur: | 14 juli 2004

Planten groeien omhoog en hun wortels naar beneden of, preciezer gezegd, planten groeien tégen de richting van de zwaartekracht in en hun wortels groeien mèt de richting van de zwaartekracht mee. Dit is zo’n bekend verschijnsel dat we er niet meer over nadenken. Maar hoe weten planten wat boven en beneden is?

De groeirichting van planten wordt voor een groot gedeelte bepaald door de zwaartekracht. Dit is goed te zien in het 1e filmpje hieronder. Als de stengels van de paardebloem plat worden gelegd groeien ze meteen weer naar boven dus tegen de zwaartekracht in. Voor een zaadje dat onder de grond ligt is deze vaste groeirichting natuurlijk erg prettig.

Als een zaadje gaat kiemen groeit het kiempje naar boven en komt boven de grond uit waar het licht vindt voor zijn fotosynthese. Ondertussen groeit zijn worteltje naar beneden dieper de grond in waar het water en voedingsstoffen vindt. In het 2e filmpje kun je dit zien bij kiemende zaadjes van de koolraap.

Een beetje geschiedenis…

Reeds in 1806 bemerkte de Britse bioloog Knight dat de groeirichting van planten wordt beïnvloed door de zwaartekracht. Hij was het die de term geotropisme, oftewel “groeien richting Aarde”, heeft bedacht. Later is dit, mede door onderzoek in de ruimte hernoemd naar gravitropisme.

In 1879, voegde de Duitse bioloog von Sachs extra bewijzen toe aan de waarnemingen van Knight. Hij deed dit met experimenten op een zogenaamde clinostaat. Een voorbeeld van een moderne versie van een clinostaat, ook wel Random Positioning Machine (RPM) genoemd kun je zien in afbeelding 3.

AFB 3: Deze moderne clinostaat oftewel Random Positioning Machine (RPM) staat in het Dutch Experiment Support Centre. De pijl wijst naar een zwart doosje met kiemende zaadjes. Doordat de twee witte beugels steeds in een andere positie draaien verandert ook steeds de 3D-positie van het doosje. Hierdoor trekt de zwaartekracht steeds weer in een andere richting aan de zaadjes in het doosje waardoor ze geen zwaartekracht meer voelen. Foto: Dr. Ing. Jack van Loon, DESC

Een RPM is een apparaat waarin een plant regelmatig in een andere positie gezet wordt: eerst rechtop, dan omgekeerd, een beetje naar links, veel naar rechts, beetje naar voren draaien, dan weer naar achteren enzovoort. Hierdoor trekt de zwaartekracht steeds op een andere manier aan het plantje en wordt eigenlijk een situatie van gewichtloosheid zoals in de ruimte nagebootst. De plant raakt hierdoor verward en weet uiteindelijk niet in welke richting hij moet groeien. In een clinostaat groeien planten en hun wortels alle kanten op.

Effect van zwaartekracht op kiemende rucola zaadjes. Dit experiment is uitgevoerd met de RPM uit afbeelding 3. Op het linkerplaatje zie je dat rucola zaadjes die zonder clinostaat zijn gekiemd allemaal omhoog groeien. In de clinostaat wordt de situatie van gewichtloosheid zoals in de ruimte nagebootst. De plantjes voelen geen zwaartekracht en groeien allemaal in verschillende richtingen. Foto: Dr. Ing. Jack van Loon, DESC.

Statocyten en Statolithen

Goed, planten “weten” in welke richting ze moeten groeien. Dit betekent dus dat ze op de een of andere manier kunnen vaststellen in welke richting de zwaartekracht aan ze trekt. In 1892 stelde de Duitse bioloog Noll voor dat er in de worteltop speciale cellen zitten die de zwaartekracht kunnen waarnemen. Deze cellen worden statocyten genoemd. Volgens hem zouden in die statocyten kleine korreltjes zitten die kunnen uitzakken. De onderkant van de plant wordt aangegeven door de plaats waar de korreltjes onder invloed van de zwaartekracht naartoe zakken in de cel.

Later werd uitgevonden dat die bolletjes eigenlijk kleine zetmeelkorreltjes zijn. Deze worden ook wel statolithen genoemd. In afbeelding 5 zie je een worteltopje waarin de zetmeelkorrels, de statolithen, paars gekleurd zijn met jodium. Je kunt zien dat de statocyten, met daarin dus de statolithen, in het uiterste topje van de wortel zitten.

Statolithen in de worteltop van de zandraket of Arabidopsis thaliana. Deze foto is genomen door een lichtmicroscoop nadat het topje was gekleurd met jodium. Hierdoor kleurt het zetmeel van de statolithen paars. De paarsgekleurde statolithen zijn heel goed zichtbaar in een paar rijtjes cellen, de statocyten, onder in de worteltop. In deze foto zijn de statocyten zwart omrand. Deze foto is met toestemming overgenomen uit: van den Berg et al. Nature vol. 390 pp. 287-289 (1997). Auteursrechten blijven voorbehouden aan Nature Publishing Group.

De afbeelding hieronder laat zien dat deze statolithen onder invloed van de zwaartekracht naar de bodem van de cel zakken. In afwezigheid van de zwaartekracht, bijvoorbeeld in een RPM of in de ruimte, verspreiden de statolithen zich willekeurig in de statocyt. Dat deze statocyten belangrijk zijn voor het waarnemen van de zwaartekracht is aangetoond door deze cellen één voor één uit te schakelen met een laserstraal. Nadat alle statocyten uitgeschakeld waren reageerde de wortel niet meer op zwaartekracht en groeide dus niet meer naar beneden.

Effect van zwaartekracht op de statolithen. Links zie je hetzelfde plaatje als in afbeelding 5. Rechts zie je een vergroting van een statocyt onder verschillende omstandigheden: met zwaartekracht (A), gewichtloosheid nagebootst in de RPM (B) en gewichtloosheid in de ruimte tijdens een vlucht in de Space Shuttle ©. Je ziet dat mèt zwaartekracht de statolithen op de bodem van de cel liggen en dat zonder zwaartekracht de statolithen door de hele cel verspreid liggen. Legenda: statolithen zijn aangegeven met zwarte driehoekjes, n = nucleus (kern), m = mitochondria.

In het bovengrondse deel van de plant, de scheut, zitten ook statocyten. Zij moeten er juist voor zorgen dat de plant naar boven groeit, dus tegen de zwaartekracht in. Hier zitten de cellen in een speciale cellaag: de endodermis. De endodermis zit onder de bast van de plant. Dat de statocyten in de endodermis zitten is aangetoond met behulp van mutante planten die geen endodermis kunnen maken. De scheuten van deze planten reageren ook niet meer op zwaartekracht.

Trek maar aan het touwtje en…

Planten kunnen dus zwaartekracht waarnemen met behulp van kleine zetmeelkorreltjes, de statolithen, die aanwezig zijn in speciale cellen, de statocyten, in de worteltop en in de endodermis van de scheut. Maar, hoe kunnen nu die paar statocyten met die piepkleine statolithen de groeirichting van een hele plant beïnvloeden?

Statocyten liggen in de worteltop. Aangezien de wortels van planten altijd vanuit de top groeien, liggen de statocyten dus precies op de goede plaats om de groeirichting van de wortel te beinvloeden. Ze moeten het resultaat van hun zwaartekrachtmeting maar over een korte afstand doorgeven. In dit laatste stuk zal ik vertellen hoe dit waarschijnlijk in z’n werk gaat.

Alle cellen, dus ook de statocyten in de worteltop, worden aan de binnenkant verstevigd door sterke eiwitten die als een netwerk kriskras door de cel heen lopen. Deze eiwitten worden actines genoemd. Actines vormen onder andere het zogenaamde skelet van de cel. Ze worden echter ook gebruikt om van alles te transporteren door de cel heen èn ze worden gebruikt om signalen binnen de cel door te geven.

Dit gaat eigenlijk heel simpel en kun je vergelijken met het volgende voorbeeld: Stel je voor dat je in je kamer een touwtje hebt lopen van het raam naar je bed. Je zit op je bed te gamen met je gameboy en je krijgt het warm. Je trekt aan het touwtje en het raam gaat open en koele lucht stroomt de kamer binnen.

In de statocyten werkt het op dezelfde manier. Stel de wortel van een plant wordt op zijn zij gelegd. De statolithen zakken naar de zijkant van de statocyt. Omdat de statolithen verbonden zijn aan de actines gaan zij door het uitzakken aan de actines trekken. Dit is te vergelijken met het touwtje aan het raam. Doordat de statolithen aan de actines trekken gaat verderop in de cel aan één kant een raampje naar buiten open. Alleen stroomt er natuurlijk via dit raampje geen koele lucht naar binnen maar er stroomt een speciaal signaalstofje naar buiten.

Dit signaalstofje zorgt er op zijn beurt voor dat op die plaats een groeihormoon, auxine, gaat ophopen. Op deze manier gaan cellen in de worteltop aan één kant sneller groeien dan aan de andere kant waardoor de wortel zich buigt en weer de grond in gaat groeien.

Seeds in Space

Er wordt dus al bijna tweehonderd jaar onderzoek gedaan naar het mechanisme van gravitropisme. Veel ervan is hier op aarde gedaan, maar een aantal zeer belangrijke doorbraken waren onmogelijk geweest zonder de ruimtevaart. Tijdens de laatste Nederlandse ruimtemissie Delta is een deel van dit onderzoek nog eens dunnetjes over gedaan met het scholierenexperiment Seeds in Space.

Tijdens dit experiment hebben duizenden schoolkinderen op aarde en de astronaut André Kuipers in de ruimte samen een experiment gedaan om te bepalen wat de invloed van de zwaartekracht is op de groeirichting van kiemplantjes.

Tijdens het scholieren experiment Seeds in Space liet de Nederlandse astronaut André Kuipers tijdens ruimtemissie Delta zaadjes kiemen van raketsla (rucola) in International Space Station (ISS). De zaadjes kiemden in gewichtloosheid volledig in het donker òf met licht. Hier zie je hoe André de plantjes met een spuit water geeft. Foto: Dr. Ing. Jack van Loon, DESC.

Tijdens dit experiment liet André zaadjes van raketsla (rucola) kiemen. Op de afbeelding hierboven zie je hoe hij de rucola zaadjes water geeft met een spuit. Hij kan het water er natuurlijk niet zomaar op gieten want dan zou het door de gewichtloosheid alle kanten op zweven. André gebruikte tijdens zijn experiment twee kweekdoosjes: eentje was helemaal zwart en donker van binnen en eentje had een lichtgaatje. Met het donkere doosje kon hij bestuderen hoe rucola kiempjes groeien zonder zwaartekracht en zonder licht en in het doosjes met het lichtgaatje kon hij bestuderen hoe ze groeien zonder zwaartekracht maar met licht.

Invloed van licht en zwaartekracht op de groeirichting van kiemplantjes. Vier dagen na de start van de kieming van de rucola zaadjes heeft André Kuipers de groeikamertjes opengemaakt. Je ziet op het linkerplaatje dat de kiempjes zonder zwaartekracht en zonder licht niet “weten” in welke richting ze moeten groeien. In het rechterplaatje kun je zien dat de kiempjes in de lichte groeikamer allemaal naar de lichtopening toe gegroeid zijn. Het sterretje (*) in dit plaatje geeft aan waar het licht vandaan kwam. Foto: Dr. Ing. Jack van Loon, DESC.

Vier dagen nadat André het kiemingsexperiment had gestart heeft hij de doosjes open gedaan. Dit kun je zien op afbeelding hierboven: Links zie je de zaadjes die zonder licht en zonder zwaartekracht hebben gegroeid. Je ziet dat de kiempjes alle kanten op groeien en niet recht omhoog zoals dat op aarde gebeurt.

Rechts op de afbeelding hierboven zie je wat er gebeurt als de kiempjes zonder zwaartekracht maar met licht groeien: De kiempjes groeien naar het licht toe. Zo zie je dat planten niet alleen zwaartekracht gebruiken om te weten in welke richting ze moeten groeien (gravitropisme).

Planten kunnen ook licht gebruiken voor het bepalen van hun groeirichting. Dit wordt fototropisme genoemd. Hoe fototropisme werkt zal ik in een volgend kennislink artikel uitleggen. Wat kun je verder nog doen met gekiemde rucola zaadjes in de ruimte? André laat het zien op de afbeelding hieronder: Opeten! En ze smaakten allemaal even lekker of ze nu met of zonder licht waren gekiemd.

Rucola is lekker! Op het einde van het experiment heeft André de rucola kiempjes gewoon opgegeten. Echte ruimtesla dus. Eet smakelijk André! Foto: Dr. Ing. Jack van Loon, DESC.

Voor vragen of opmerkingen n.a.v. dit artikel kunt u mailen met:

Bezoek de website van het <A HREF=“http://www.nibi.nl”OnMouseOut=“window.status=”;return true"OnMouseOver=“window.status=”return true">NIBI

Dit artikel is een publicatie van Nederlands Instituut voor Biologie (NIBI).
© Nederlands Instituut voor Biologie (NIBI), sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 14 juli 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.