Hoe planten en bomen hun waterleidingen verstevigen en zo de hoogte in kunnen groeien

Timelapse met beelden uit een serie microscopie-opnamen waarin de vorming van een 'zebrajasje' door een plantencel in de plant Arabidopsis thaliana is gevolgd. Het plaatje helemaal links toont het 'zebrajasje' nadat dit 120 minuten na de start van het experiment zijn definitieve vorm heeft aangenomen. Het middelste plaatje toont alle veranderingen in het zebrapatroon in minuut 115 tot en met 120. In het rechterplaatje zijn álle bewegingen die in 2 uur tijd tot het zebrapatroon hebben geleid vastgelegd. Foto: Kris van 't Klooster.

Als je in modetermen moest spreken, zou je zeggen dat plantencellen in het vasculair systeem voor zichzelf een jas met zebrastrepen maken. Ze doen dat niet omdat het er mooi uitziet, maar omdat het voor hen een manier is om water via de wortels bij de bladeren te krijgen. Ze willen bij wijze van spreken ook niet afhankelijk zijn van één rietje. Als een rietje aan de onderkant dichtgehouden wordt, klapt dat namelijk dicht. Hetzelfde zou ook met de vaten van de plant gebeuren als ze niet de beschikking hadden over een ‘zebrajas’.

Xyleemcellen

Planten en bomen nemen daarom via de wortels water op uit de bodem en transporteren dit via een vaatstelsel. Dit xyleem is een netwerk van buisvormige celwandcontainers die door levende xyleemcellen worden gevormd tijdens de groei van de plant. Vóór hun dood organiseren de cellen actief de afzetting van een uitzonderlijk sterke wand - de zogenaamde secundaire wand - in bijzondere band- en spiraalvormige patronen. Na het afzetten lignificeren (verhouten) de wanden om zichzelf nog steviger, veerkrachtiger en waterdichter te maken en ondergaan de cellen geprogrammeerde celdood. Hierdoor zorgen xyleemcellen zowel voor een efficiënt watertransportsysteem als voor de stabiliteit van planten en bomen.

Cytoskelet

Het belangrijkste verstevigende bestanddeel van de xyleemwanden is cellulose. Om de cellulose in staat te stellen deze visueel indrukwekkende bandpatronen te vormen, heeft het de hulp nodig van verschillende eiwitten. Daartoe behoren zogenaamde microtubuli - kleine, buisvormige eiwitstructuren die deel uitmaken van het cytoskelet - die de moleculaire 'sporen' vormen voor de machinerie die de celwand produceert. Deze machinerie beweegt zich langs de microtubuli als een asfalteermachine en zet voortdurend wandmateriaal af aan de buitenkant van de cellen. De microtubuli bepalen dus de plaats en richting van de celwandsynthese. Ondanks veel onderzoek naar de algemene vorming van celwanden, is het nog niet duidelijk hoe het cytoskelet van microtubuli tijdens de secundaire wandvorming in xyleemcellen in bandpatronen wordt gereorganiseerd.

Genenschakelaar

"Een probleem bij het ophelderen van deze mechanismen is dat de xyleemcellen begraven liggen onder vele cellagen. Daardoor kan het niet rechtstreeks in de microscoop worden waargenomen. Wij gebruiken een genetische benadering om dit proces zichtbaar te maken onder de microscoop", verklaart Kris van 't Klooster van het Laboratorium van Plantfysiologie.

De onderzoekers maakten gebruik van Arabidopsis thaliana (zandraket), een onopvallend onkruid en modelplant voor onderzoek, en modificeerden die zodanig dat al zijn cellen gedwongen kunnen worden xyleem en dus secundaire celwanden te vormen. "Daartoe hebben wij onze planten uitgerust met een 'genenschakelaar'. Dit maakt het mogelijk om het mechanisme van de xyleemontwikkeling van buitenaf gericht in gang te zetten. Daardoor worden alle cellen in de plant xyleemcellen, inclusief de cellen aan de oppervlakte die goed te bestuderen zijn met hoge-resolutie microscopie", beschrijft Van 't Klooster. Met deze methode is het voor het eerst mogelijk om xyleemcellen en hun wandpatronen te observeren terwijl ze zich ontwikkelen.

Gedrag van microtubuli in kaart

Met dit nieuwe instrument beschrijven de onderzoekers welke processen de herschikking van de microtubuli tijdens de vorming van xyleem aansturen. Zij ontwikkelden een automatische methode om data te verzamelen over langere tijd en zagen door middel van gedetailleerde computersimulaties dat de banden en -spiralen bestaande uit microtubuli zich gelijktijdig over het gehele celoppervlak vormen en dat het patroon daarna verder wordt aangepast totdat een ordelijke verdeling van de banden is bereikt.

Tijdens dit proces worden de microtubuli in de openingen tussen de banden voortdurend afgebroken terwijl zij in de banden groeien. De herschikking tot parallelle, gelijkmatig verdeelde banden duurt ongeveer één tot twee uur en wordt gedurende de rest van het differentiatieproces in stand gehouden.

Het hele transformatieproces van een cel tot een echte xyleemcel neemt in totaal verscheidene dagen in beslag. Met behulp van hun observatie in planten en met behulp van computersimulaties was het team van wetenschappers ook in staat een eiwitcomplex, KATANIN, te identificeren dat betrokken blijkt te zijn bij de tijdige en ordelijke vorming van secundaire wanden.

Aanpassing aan klimaatverandering

Op basis van deze bevindingen gaat collega-onderzoeker Eva Deinum (Biometris) samen met PhD student Bas Jacobs verder onderzoek doen naar de vraag hoe de patronen van secundaire wanden in planten precies worden gevormd. Dit werk is niet alleen van belang voor het plantenonderzoek, maar zou ook kunnen bijdragen tot de aanpassing van planten aan het toekomstige klimaat, aangezien het voortbestaan van bomen in een veranderend klimaat grotendeels afhangt van het aanpassingsvermogen van de xyleemvaten.

De identificatie van eiwitten en bijbehorende genen die het vaatstelsel aanpassen aan de milieuomstandigheden zou kunnen helpen bij het identificeren of zelfs genetisch ontwerpen van meer klimaatresistente plantensoorten.