Op zoek naar een gen voor zouttolerantie

De meeste planten houden niet van zout. Handig dus dat nu uit onderzoek blijkt dat planten de groeirichting van hun wortels kunnen aanpassen in de buurt van zout. Dat is wel bijzonder omdat de wortels zich normaal gesproken laten leiden door de zwaartekracht, en dus naar beneden groeien. Biologen weten nu hoe dit zoutmijdende proces op celniveau werkt. Nu willen ze nog de genen opsporen die een plant op deze manier helpen in een zout milieu te overleven.

door

Voor het groeien in de richting van zout bestaat de mooie naam halotropie; het weggroeien van een zoute omgeving is dus een vorm van negatieve halotropie (‘tropos’ komt uit het Grieks en betekent draaien of bewegen). Plantenwortels hebben ook de neiging in de richting van water te groeien – hydrotropie – en voor het bovengrondse, groene deel van de plant is fototropie van belang: beweging in de richting van licht. Het bijzondere is dat voor al deze verschillende manieren waarop een plant beweegt en groeit het groeihormoon auxine een cruciale rol speelt.

Concombre vrille 1257857430 90

We vinden de groeibeweging van de plant in de richting van licht (fototropie) heel vanzelfsprekend. Maar een plant kent nog veel andere bewegingen: in de richting van zwaartekracht (geo- of gravitropie), naar water (hydrotropie), en om contact te maken met andere planten of objecten (thigmotropie). Relatief nieuw in wetenschappelijk onderzoek is de groeibeweging naar geluid (sonotropie), een bewegingsreactie op een elektrisch veld (electrotropie), chemicaliën (chemotropie), temperatuur (thermotropie) en zout (halotropie). [email protected] des sciences

Zoutstress

Ook voor de reactie op ‘zoutstress’ is auxine belangrijk in de fysiologie van de plant. Andere vormen van stress voor een plant zijn bijvoorbeeld extreme temperaturen, droogte en een mineralentekort. “De primaire reactie op droogte is hetzelfde als de reactie van de plant op zout omdat er in beide gevallen sprake is van een osmotische reactie”, vertelt Christa Testerink, universitair docent en onderzoekster verbonden aan het Swammerdam Instituut voor Levenswetenschappen aan de UvA. Bij osmose verplaatst water zich door de celwand heen om de zoutconcentraties aan beide zijden van de membraan in balans te brengen.

Nile delta landsat false color

In het kustgebied van de Nijldelta hebben boeren problemen door verzilting van de landbouwgrond. De invloed van de zee neemt toe door een verminderde aanvoer van zoet water via de rivier. NASA

Verzilting in de landbouwgebieden

Verzilting is in toenemende mate een wereldwijd probleem, waar steeds meer landbouwgewassen aan zijn blootgesteld, ook in Nederland. Door bijvoorbeeld zeespiegelstijging komt er meer zout water (kwel) in het grondwater terecht. Testerink: “Op andere continenten is verzilting een nijpender probleem, door aanhoudende droogte en/of een van nature zoute bodem, zoals in Australië. In regio’s als in het Midden-Oosten wordt zoveel geïrrigeerd dat door voortdurende verdamping de bodem uiteindelijk ook verzilt”.

Minder zijwortels

Testerink is al enkele jaren bezig met de vraag hoe planten reageren op slechte omstandigheden, zoals een hoge zoutconcentratie. “We zien dat planten in een zout milieu minder zijwortels maken en de wortels stoppen met groeien in de richting van de zwaartekracht. Onze experimenten hebben duidelijk gemaakt dat plantenwortels zich actief verwijderen van zout. Dit verschijnsel zien we in de zandraket, maar ook bij tomaat en sorghum. Waarschijnlijk is het een algemene reactie van plantenwortels.” Dit fenomeen doet zich niet alleen voor in een medium met een zoutoplossing, maar ook wanneer de plant in de aarde wortelt.

Reactie plant op zout

Het fenomeen waarbij plantenwortels zout mijden – (negatieve) halotropie – wordt sterker naarmate de zoutoplossing geconcentreerder is. In experimenten worden de plantjes op een voedingsbodem geplaatst, met gewoon groeimedium in de controle-opstelling en daaraan toegevoegd NaCl, natriumchloride, (zout) in de experimentele opstelling.
Op de afbeelding is duidelijk te zien dat plantenwortels niet meer naar beneden groeien, maar in reactie op de zoutoplossing hun groeirichting aanpassen. C.S. Galvan-Ampudia et al./Current Biology

Transport van auxine

In een eerder onderzoek bestudeerde Testerink de biochemische processen die samenhangen met de reactie van plantenwortels op zout. Ze keek daarbij specifiek naar wat er zich in de celmembraan afspeelde, het eerste onderdeel van wortelcellen dat met zout in de bodem te maken krijgt. Ze ontdekte dat de celmembraan op de aanwezigheid van zout reageert met het aanmaken van bepaalde vetten, die op hun beurt weer zorgen voor de activatie van specifieke eiwitten. Het auxinetransport binnen de cel – en daarmee ook de groei en groeirichting – is afhankelijk van deze eiwitten.

Auxineverdeling in plantencel

Auxineverdeling door zoutstress. Drie beelden links: zoutarm; drie beelden rechts: in zout medium. In reactie op stress verdwijnen de auxinepompjes uit de celwand van de cellen aan de zoute kant van de wortel, waardoor die minder auxine opnemen. Auxine hoopt zich daardoor op aan de zijde van de wortel die niet in contact is met het zout, en remt daar de groei. Het verschil in groeisnelheid tussen links en rechts leidt tot het weg groeien van de wortel van het zout.

Toelichting:
TGN/EE: Golgi-netwerk (endosomen): membranen binnen in de cel die zorgen voor vervoer van celonderdelen naar hun uiteindelijke bestemming; PIN2= pompjes die auxine transporteren; Clathrin: omhulsel voor de blaasjes die PIN2 van de celmembraan naar de membranen in de cel brengen; PLD: een enzym dat de vorming van een specifiek lipide verzorgt; Auxine: groeihormoon. C.S. Galvan-Ampudia et al./Current Biology

Gele bladeren

De plant heeft vooral last van het natrium-ion en in veel mindere mate van het chloride-ion (zout bestaat uit natriumchloride, dat in water uiteenvalt in een natrium- en een chloride-ionen). Hierdoor worden bladeren geel en wordt de fotosynthese negatief beïnvloed. “Een plant heeft een actieve manier om natrium te verwijderen”, legt Testerink uit. “Natrium is in een blad veel giftiger dan in de wortel, dus de plant zal er alles aan doen om het natrium in de wortels te houden. De wortels zijn in staat het natrium op te slaan of zelfs weer te verwijderen.”

Img 9643

Christa Testerink in haar lab Annemieke van Roekel

Publieke database

Bepaalde mutanten van de zandraket bleken niet in staat om de schadelijke natrium-ionen weer naar de wortels terug te sturen omdat daarvoor het noodzakelijke eiwit ontbreekt. Dat zou dus terug te vinden moeten zijn in de genen, redeneert Testerink.

De zandraket is een populaire plant voor dergelijk genetisch onderzoek omdat het genoom van dit plantje – dat als onkruid tussen stoeptegels te vinden is – volledig in kaart is gebracht. Bovendien staat de onderzoekers een publieke database ter beschikking met alle DNA-fragmenten waarvan de volgorde bekend is. Duizenden verschillende mutanten van de zandraket kunnen eenvoudig besteld worden, en de informatie kan in een online database opgezocht worden.

Een paar dollar

“Het gaat bij de zandraket in totaal om 25.000 genen”, vertelt Testerink. “Voor een paar dollar heb je zo een envelop met onderzoeksmateriaal op je bureau liggen. Maar de eigenschappen voor zouttolerantie zitten natuurlijk niet in één enkel gen opgesloten”, relativeert ze. “Als je daarnaar zoekt, vind je niks. Dat komt omdat er bij het overlevingsmechanisme van de plant tegen zout wel honderden genen betrokken zijn.”

Medium

Ecotype

Voor de 350 beschikbare ecotypes van de zandraket – een ecotype is qua vorm speciaal aangepast aan de omgeving waarin hij groeit, maar het gaat wel steeds om dezelfde soort – wordt nu gezocht naar zouttolerante eigenschappen en genexpressie. Het komt er op neer dat het overlevingsmechanisme uiteen gerafeld kan worden in meerdere eigenschappen, zoals wortelstructuur en het vermogen zout weer uit te scheiden.

Img 9650 symm

Promovenda Dorota Kawa onderzoekt in het lab de relatie tussen milieuomstandigheden en wortelvorming van de zandraket. Annemieke van Roekel

“Bij een eigenschap als de vorm van het wortelstelsel zijn enkele tientallen genen betrokken”, legt Testerink uit. “Dat betekent dat je statistisch gezien wel een relatie zou kunnen aantonen.” In het project om de ‘genen voor zouttolerantie’ in kaart te brengen, werkt Testerink samen met de zaadindustrie, met financiering door STW, vervolg op haar meer fundamentele onderzoek binnen het open programma van NWO.

Testerink werkt nu ook samen met China om naast zout de effecten van fosfaattekort op plantenwortels te onderzoeken. “In China is nutriëntentekort van de bodem een groot probleem voor de landbouw. Behalve dat het praktisch nut heeft, is het ook een uitdagend wetenschappelijk probleem.”

Bronnen en meer lezen: