Ongeveer tien bewegingen met een zachte borstel zijn voldoende. In minder dan een minuut, in een kleine plant Arabidopsis thalianawordt een keten van eiwitten geactiveerd. Als het contact in de loop van de tijd wordt herhaald, kan deze reactie ook de groei van de plant beïnvloeden.
Een internationaal team onder leiding van de Universiteit van Lund heeft een van de belangrijkste mechanismen gereconstrueerd waarmee planten op fysiek contact reageren. De studie gepubliceerd op Natuurcommunicatie heeft een keten van eiwitten geïdentificeerd, MAP-kinasen genaamd, die binnen ongeveer 60 seconden na aanraking in actie komen en bijdragen aan het wijzigen van de activiteit van veel genen.
Het was al bekend dat wind, regen, wonden of een dier dat een blad aanraakt een reactie bij planten kunnen uitlokken. Al meer dan 25 jaar is ook bekend dat contact sommige MAP-kinasen activeert, eiwitten die signalen in cellen doorgeven. Er ontbrak echter een belangrijke stap: beter begrijpen hoe die eerste prikkel verband houdt met de veranderingen die direct daarna optreden.
Tien penseelstreken en de plant begint te reageren
Het experiment is heel eenvoudig. De onderzoekers gebruikten zaailingen van Arabidopsis thaliana 12 dagen oud en ongeveer tien keer aangeraakt met een zachte borstel. Voor de plant zijn die penseelstreken echter verre van irrelevant. Binnen ongeveer een minuut worden MPK3 en MPK6 geactiveerd, twee van de eiwitten die betrokken zijn bij de door de onderzoekers ontdekte keten. Tegelijkertijd beginnen ook veel andere eiwitten die in cellen aanwezig zijn, te veranderen.
Al na een minuut identificeerden de onderzoekers 160 punten van de eiwitten die al een chemische modificatie hadden ondergaan. Na drie minuten waren dat er 321 en na tien minuten 380. Over de gehele waargenomen periode betroffen de veranderingen 488 punten. Twee eiwitten, MKK4 en MKK5 genaamd, lijken een bijzonder belangrijke rol te spelen. Toen de onderzoekers de werking ervan veranderden, werd een aanzienlijk deel van de normale reactie op aanraking verminderd.
Na 22 minuten verandert de activiteit van ruim tweeduizend genen
Het antwoord gaat ook door op genniveau. Tweeëntwintig minuten nadat de borstel was gepasseerd, hadden 2.032 genen hun activiteit in normale planten veranderd. Door deze resultaten te vergelijken met eerdere experimenten, identificeerde het team vervolgens 1.168 genen die deel lijken uit te maken van de directere reactie van de plant op contact.
Velen zijn precies afhankelijk van de MKK4- en MKK5-eiwitten. Toen deze niet normaal functioneerden, reageerden 905-genen anders dan in andere planten. Bij 779 hiervan was de activatie zwakker. Een opmerkelijke hoeveelheid beweging voor iets dat, als je de vaas van buitenaf bekijkt, slechts een penseelstreek lijkt. Het geïdentificeerde mechanisme verklaart echter niet elke reactie. Dan blijven er nog minstens 215 genen over die lijken te reageren via andere nog te identificeren routes.
Als het aanraken doorgaat, verandert ook de groei
De onderzoekers wilden vervolgens begrijpen of deze zeer snelle reactie in de loop van de tijd zichtbare gevolgen had. Om dit te doen, raakten ze veertien dagen lang twee keer per dag enkele planten aan die in de grond groeiden. Na twee weken was het bladoppervlak bij normale planten met ongeveer 38% verminderd vergeleken met planten die niet waren aangeraakt.
In fabrieken waarin het eerste deel van de signaalketen was gewijzigd, stopte de reductie bij ongeveer 20%. Bij degenen met MKK4- en MKK5-eiwitproblemen was dit ongeveer 28%. Herhaaldelijk contact had ook gevolgen voor de bloei. Normale planten die je elke dag aanraakte, begonnen ongeveer drie dagen later te bloeien. Bij sommige gemodificeerde installaties leek de vertraging kleiner, maar het verschil was niet duidelijk genoeg om de mogelijkheid uit te sluiten dat dit op toeval berustte.
Het vermogen van planten om hun ontwikkeling te wijzigen als reactie op fysieke stimuli wordt thigmomorfogenese genoemd. In de natuur worden penseelstreken vervangen door iets veel gebruikelijkers: wind, regen, dieren, insecten en elk ander contact dat stoffen kan vouwen of beschadigen.
De eerste aanraaksensor ontbreekt nog steeds
De studie reconstrueert dus een belangrijk deel van het mechanisme, maar het begin van het verhaal ontbreekt nog. Iets moet eerst de druk op het blad voelen en de signaalketen op gang brengen. De onderzoekers veronderstellen dat eiwitten die aanwezig zijn op het celmembraan of andere sensoren die kunnen reageren op fysieke stress hierbij betrokken kunnen zijn. Wat deze eerste sensor precies is, is echter nog niet bekend.
De studie analyseerde ook jasmonzuur, een plantenhormoon dat betrokken is bij reacties op letsel en andere vormen van stress. Binnen de eerste tien minuten na de aanraking vertoonden de planten die het niet konden produceren een eiwitreactie die sterk leek op die van normale planten. Het betekent dat de meeste van de allereerste waargenomen signalen op zijn minst gedeeltelijk een ander pad volgen.
De Universiteit van Lund herinnert ons er bij de presentatie van de resultaten ook aan dat we ons nog steeds op het gebied van fundamenteel onderzoek bevinden. De experimenten werden voornamelijk uitgevoerd op Arabidopsis en onder gecontroleerde omstandigheden. Om te begrijpen of deze kennis ook in de landbouw kan worden gebruikt, zijn specifieke studies nodig op gewassen en direct op het veld. Voorlopig weten we iets meer over wat er gebeurt als we een blad aanraken. Wij merken er bijna niets van. Na een minuut heeft de centrale al honderden signalen in beweging gezet.
