We hebben allemaal op de lagere school geleerd dat bloemen worden bevrucht door bijen die hun stuifmeel afleveren. Echter, met het afleveren van het stuifmeel op de stempel van de bloem is de bevruchtingproces pas halverwege en heeft nog een lange weg te gaan. Zo moet eerst het stuifmeel een buis maken die helemaal naar de eicel toe moet groeien. Dit verhaal begint als de bijen eenmaal hun stuifmeel gedumpt hebben…. Hoe kunnen die stuifmeelkorrels weten waar ze naartoe moeten groeien als ze eenmaal op de stempel liggen?

De bloemetjes, de bijtjes en de rest

Sexuele reproductie van planten begint met de vorming van de bloem. Binnen in de bloem worden het stuifmeel en de zaadknoppen gemaakt. Dit gebeurt in gespecialiseerde organen: de helmhokjes en het vruchtbeginsel. Nu is het de beurt aan de bijen die het stuifmeel (pollen) overbrengen van de helmhokjes van de ene bloem naar de stempel (stigma) van de andere bloem. Eenmaal aangeland op de stempel zal de stuifmeelkorrel snel water opnemen waardoor deze gaat zwellen en geactiveerd wordt om te gaan “kiemen” en een buis te vormen die door de stempel en de stijl naar het vruchtbeginsel groeit om uiteindelijk de spermacellen af te leveren bij de eicel in de zaadknop (zie afbeelding 1).

In dit hele proces vertonen de pollenbuizen een indrukwekkende trefzekerheid: Ze groeien allemaal in één en dezelfde richting en er is geen enkele pollenbuis die niet door de stempel groeit en de zaadknoppen bijvoorbeeld via de buitenkant probeert te bereiken (zie afbeelding 2). Om te begrijpen hoe die trefzekerheid van pollenbuizen werkt moet je dus eerst begrijpen waarom zij altijd door de stempel groeien. In de afgelopen jaren zijn in het onderzoek hiernaar belangrijke ontdekkingen gedaan die erop wijzen dat vetten (lipiden) hierin een grote rol spelen.

Natte en droge stempels

Maar laten we niet op de zaken vooruit lopen en gewoon bij het begin beginnen. De stempels van bloemen van verschillende planten zijn grofweg in twee types te verdelen: droge en natte. Dat verschil is heel goed met het oog waar te nemen. Als je bijvoorbeeld naar de stempel in een petuniabloem kijkt zie je dat er een glimmend laagje overheen ligt en als je het aanraakt merk je dat dit vochtige laagje een plakkerige substantie is. Dit vochtige laagje wordt “exudaat” genoemd. Petuniabloemen hebben dus een natte stempel en planten die geen exudaat produceren hebben daarom een droge stempel. Tot voor kort werd aangenomen dat het exudaat vooral bedoeld was om pollenkorrels te vangen, maar recent onderzoek heeft aangetoond dat juist dit exudaat een cruciale rol speelt in het bepalen van de richting van de pollenbuisgroei.

Exudaat wijst pollenbuizen de weg

Het verhaal van deze ontdekking begint enkele jaren geleden in de onderzoeksgroep van professor Celestina Mariani in Nijmegen. Om de rol van de (natte) stempel in het bevruchtingsproces te bestuderen had een van haar medewerkers genetisch gemodificeerde tabaksplanten gemaakt die stampers maakten waarvan de stempel ontbrak (zie afbeelding 3). Bestuiving van deze stampers leverde geen zaden op omdat de stuifmeelkorrels geen water konden opnemen en dus geen buizen maakten. Als echter op deze stempelloze stampers een druppeltje exudaat werd aangebracht vormden de stuifmeelkorrels wel buizen die netjes door de stijl naar binnen groeiden. Er zit dus iets in dit exudaat dat er voor zorgt dat pollenbuizen gaan groeien en de weg naar de stamper kunnen vinden (zie afbeelding 4).

Mariani en haar medewerkerster Mieke Wolters vroegen zich af welk stofje in het exudaat hiervoor kon zorgen. Op dat moment kwam precies dat kleine beetje geluk om de hoek kijken dat iedere wetenschapper af en toe nodig heeft om zijn/haar onderzoek een grote sprong vooruit te laten maken. Tijdens een van de bevruchtingsproeven in het lab gebruikte Mieke olijfolie in plaats van exudaat (eigenlijk om het effect van verdamping te bestuderen). De volgende dag zag zij tot haar verbazing dat de stuifmeelkorrels netjes gekiemd waren en dat hun buizen door de stijl gegroeid waren. Dit betekende dat olijfolie hetzelfde effect had op pollenkorrels als exudaat. Deze vondst was een grote doorbraak want kennelijk waren het dus de olieachtige substanties in het exudaat die de richtinggevende eigenschappen bezaten! Om te bepalen welke type olieën nu precies dit effect hadden en welke niet, werd van alles uitgeprobeerd: van oliemengsels als zonnebloemolie en motorolie tot hyperzuivere olieën met tongbrekende namen als trilinolelaïdine! Het bleek dat de stuifmeelkorrels in al die verschillende olieën wel een pollenbuis maakten, maar dat deze niet in de richting van de stempel groeiden. Uiteindelijk vonden zij één bepaalde olie, trilinoleïne, die er voor zorgde dat pollenbuizen wèl de stempel ingroeiden

Hoe zit het met de droge stempel?

Dus… natte stempels produceren een stofje dat lijkt op trilinoleïne dat ervoor zorgt dat pollenbuizen bij de stempel naar binnen groeien en op die manier op de juiste weg naar de zaadknoppen worden gezet. Echter, hoe zit het nu met pollen op een droge stempel? Droge stempels produceren helemaal geen exudaat, maar toch groeien ook hier alle pollenbuizen bij de stempel naar binnen. Vinden zij hun weg op een geheel andere manier? Het antwoord hierop komt van onderzoek aan het plantje “Arabidopsis thaliana” (Nederlandse naam: “zandraket” ). Arabidopsis is een plant van het droge stigma type (zie afbeelding 5) en is een zeer populair onderzoeksobject onder andere omdat er vele mutanten van beschikbaar zijn. In mutante planten is de functie van één bepaald gen uitgeschakeld. Hierdoor verandert het gedrag of fenotype van de plant en kun je dus onderzoeken wat het belang is van het uitgeschakelde gen of van het product van dat gen voor de gehele plant (zie bijvoorbeeld ook het artikel van Peter Toorop op deze site).

Natte en droge stempels gebruiken dezelfde mechanismen

Stuifmeelkorrels van mutante planten van de cer klasse zijn verstoord in hun wateropname en kunnen geen pollenbuis maken. Nader onderzoek naar de aard van de cer mutatie toonde aan dat al deze planten problemen hadden met de aanmaak van complexe vetzuren. Dat zijn de basisbouwstenen voor onder andere het type vetten waartoe ook trilinoleïne behoort. Bovendien bleek dat als je een beetje trilinoleïne toevoegde aan de stempels van deze cer mutanten, de stuifmeelkorrels weer gewoon een buis vormden die keurig naar binnen groeide (zie afbeelding 6). Dit duidde er dus op dat pollen van zowel natte- als droge stempel planten dezelfde mechanismen gebruiken om de weg naar de stigma te vinden.

Bij droge stempels brengt het stuifmeel zijn eigen exudaat mee

Maar waar bevinden zich die vetten bij de droge stempel planten? Analyse van de buitenste (exine) laag van de pollenkorrels toonde aan dat dit een hoog gehalte aan complexe vetzuren bevatte. Dit deed vermoeden dat de stuifmeelkorrels van planten met een droge stigma elk zelf hun eigen druppeltje exudaat meevoeren. Microscopisch onderzoek naar het gedrag van pollenkorrels op een droge stigma versterkte dit idee. Dit liet namelijk zien dat er na landing een laagje van de pollenkorrel af glijdt dat zich vervolgens over de stigmacel heen verspreidt alsof de stuifmeelkorrel eerst zijn exudaat aanbrengt voordat het een buis vormt en de stempel binnengroeit (zie afbeelding 7).

Hoe werkt het?

We hebben nu dus gezien dat stuifmeelkorrels van zowel natte- als droge-stigma planten zeer specifieke vetten nodig hebben om hun pollenbuizen naar en in de stempel te laten groeien. Deze ontdekking is juist opmerkelijk omdat vetten tot nu toe beschouwd werden als fysiologisch inactieve stoffen die alleen dienden als bouwstof voor celmembranen en als energiereserve. Nu bekend is dat vetten zo belangrijk zijn voor zo’n specifieke functie als ingroei van pollenbuizen vragen de verschillende betrokken onderzoekers zich natuurlijk af wat het werkingsmechanisme van deze vetten is. Met andere woorden: Hóe kunnen vetten aan de stuifmeelkorrel vertellen aan welke kant ze een pollenbuis moeten maken? Alhoewel op dit moment de theorieen die het mechanisme kunnen verklaren nog niet eenduidig zijn is er één die het meest eenvoudig is en daardoor het meest aantrekkelijk is (zie afbeelding 8). Deze theorie stelt dat de vetten in het exudaat of in het exine (=buitenste laag van de pollenkorrel) de pollen van de buitenwereld “afsluiten.” Als de droge pollenkorrel door het exudaat heen is gezakt of als het exine van de pollenkorrel afgegleden is maakt hij aan slechts één zijde direkt contact met de stigmacel. Vanaf deze kant kan hij vervolgens water opnemen vanuit die stigmacel. De samenstelling van de vetten in het exudaat bepalen hoe snel het water uit de stigmacel opgenomen kan worden. Deze snelheid is heel erg belangrijk want als de wateropname langzaam genoeg gaat kan de pollenkorrel als het ware “voelen” waar het water vandaan komt. Hij zal namelijk op die plaats eerder geactiveerd worden een buis te gaan maken die vervolgens in de richting van de waterbron, de stempel, zal gaan groeien en….. voila! De stuifmeelkorrel is gekiemd en zijn buis groeit de stempel binnen! Ook al klinkt deze theorie mooi toch zal het nog menig zweetdruppeltje kosten om deze te bewijzen. Immers, hoe kun je in een stuifmeelkorrel met een doorsnede van slechts éénhonderdste millimeter zien wáár als éérste èn hóe snèl water opgenomen wordt?

Klik hier voor een animatie van het model dat de werking van vetten voor de wateropname en richting van pollenbuisvorming verklaart.

Bronnen

- Wolters-Arts et al. Nature 392: 818-821 (1998) - Mariani, C. Plant Cell 12: 1795-1798 (2000) - Fiebig et al. Plant Cell 12: 2001-2008 (2000) - Wolters-Arts et al. Plant Cell Environ. 25: 513-519 (2002).