Verzilting veroorzaakt wereldwijd grote oogstverliezen. Planten gaan dood of worden ernstig beperkt in de groei. Onderzoekers van Wageningen University & Research (WUR) hebben ontdekt dat een lokaal regulatoreiwit wortelgroei in zoute grond bevordert, waardoor een plant zich toch kan ontwikkelen. De bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Plant Cell en vormen een belangrijke basis voor verder onderzoek naar de ontwikkeling van weerbaardere gewassen.
Bijna een kwart van de geïrrigeerde landbouwgrond op de wereld heeft last van verzilting. Door een stijgende zeespiegel, toenemende droogte en hogere temperaturen neemt dit probleem steeds verder toe. Een zoute bodem heeft vooral een negatieve invloed op de ontwikkeling van zijwortels, vertelt hoogleraar Plantenfysiologie Christa Testerink. "Planten hebben zijwortels nodig om water en voedingsstoffen op te nemen. De groei van deze wortels wordt gereguleerd door het hormoon auxine. Zout zorgt ervoor dat de plant signalen van dat hormoon minder goed oppikt, waardoor de ontwikkeling van zijwortels achterblijft. En hoe minder zijwortels een plant heeft, hoe slechter de conditie van de plant over het algemeen is."
Arabidopsis zaailingen blootgesteld aan een combinatie van tekort aan water en hoge temperatuur. Zoutstress heeft eenzelfde soort effect op de wortelgroei van planten. (Foto: Scott Hayes)
Schakelaar tussen hormoon en zijwortelvorming
Maar hoe kan het dan dat sommige plantensoorten minder last hebben van zoutstress dan andere? Om het antwoord op deze vraag te vinden, doken onderzoekers in het moleculaire mechanisme van zijwortelvorming in de modelplant Arabidopsis, in de volksmond bekend als zandraket. Testerink: "Uit eerder onderzoek was al bekend dat het eiwit LBD16 werkt als schakelaar tussen auxine en de daadwerkelijke vorming van zijwortels. LBD16 zet de genen die betrokken zijn bij het maken van zijwortels aan. In een verzilte bodem zou je verwachten dat niet alleen de werking van auxine wordt verstoord, maar dat ook de hoeveelheid van het eiwit LBD16 in de plant afneemt."
Alternatieve route ontdekt
Opmerkelijk genoeg bleek bij bestudering van Arabidopsis dat de werking van auxine in een zoute omgeving weliswaar sterk afnam, maar dat de hoeveelheid LBD16 juist steeg. Testerink: "Er moest dus een alternatieve route zijn die het eiwit aanstuurt, waardoor de plant ook in een zoute omgeving – weliswaar minder, maar toch – zijwortels maakt. Die route hebben we gevonden met de ontdekking van een andere activator, het eiwit ZAT6. Dit eiwit neemt de rol als regulator over van auxine. Deze ontdekking vormt een belangrijke basis voor verder onderzoek naar vergelijkbare lokale moleculaire netwerken in zijwortels die ervoor zorgen dat planten in stresssituaties kunnen functioneren. Niet alleen bij verzilting, maar ook bij droogte en hitte. Dit kan veredelaars helpen om de wortelgroei van planten zo te veranderen dat er weerbaardere rassen ontstaan."
Hoewel zout de aanwezigheid van auxine in de wortels vermindert (links), leidt het juist tot meer LBD16 expressie (rechterdeel, gele pijlen) dankzij een bypass route die zijwortelvorming in zout mogelijk maakt. (Foto: Thijs de Zeeuw)
Machine learning helpt een handje
Bij de zoektocht naar de activator voor LBD16 maakten de onderzoekers gebruik van machine learning. Aalt-Jan van Dijk, onderzoeker bij de vakgroep Bio-informatica, legt uit welke rol deze computationele methode speelde: "In een plant zijn er tienduizenden mogelijke kandidaten die LBD16 kunnen reguleren. Je moet dus op zoek naar een speld in een hooiberg. Om gerichter te zoeken, helpt het om voorspellingen te doen. We hebben data van allerlei transcriptiefactoren uit experimenten in een machine learning-model gestopt. Dit model heeft vervolgens aan de hand van patronen voorspeld of een bepaalde transcriptiefactor een andere wel of niet reguleert. Zo houd je nog maar een klein lijstje met mogelijke kandidaten over. Door het doen van experimentele testen hebben we uiteindelijk ZAT6 als belangrijke nieuwe regulator voor LBD16 gevonden."
Arabidopsis zaailingen op toenemende hoeveelheid zout (van links naar rechts) laten zien dat de lbd16 mutant (onder) in vergelijking met wild type (boven) een normaal wortelstelsel maakt onder optimale omstandigheden, maar moeite met zijwortelvorming heeft in aanwezigheid van zout. (Illustratie: Eliza van Veen)
Verdere ontwikkeling in CropXR
De combinatie van het gebruik van experimentele data en machine learning is volgens Van Dijk nieuw binnen de wereld van plantenonderzoek. Deze aanpak krijgt een vervolg. "In CropXR gaan we de komende tien jaar samen met de universiteiten van Utrecht, Delft en Amsterdam (UvA) verder werken aan de ontwikkeling van fundamentele kennis en methoden voor het ontwikkelen van weerbaardere gewassen. Dat doen we onder meer door machine learning te combineren met mechanistische modellen. Dit zijn modellen die kennis over onderliggende fysiologische en cellulaire processen en oorzaak-gevolgrelaties bevatten. Voorspellingen uit die modellen kunnen vervolgens met gerichte experimenten getest worden."
Droogte en hogere temperaturen
In CropXR ligt de focus niet zozeer op verzilting, maar vooral op andere klimaat gerelateerde uitdagingen, zoals droogte en hoge temperaturen, zegt Testerink. "In een andere paper – die vooralsnog alleen beschikbaar is als pre-print – hebben we gekeken naar de wortelgroei van planten bij een combinatie van hitte en watertekort. We hebben een aantal moleculaire factoren blootgelegd die hierbij een rol spelen. Maar voor het kunnen voorspellen van hoe planten omgaan met een combinatie van stressvolle omstandigheden is een grootschaliger aanpak nodig. In de eerste vijf jaar van CropXR focussen we ons nog steeds op de Arabidopsis, in de tweede vijf jaar gaan we de opgedane kennis vertalen naar voedselgewassen. Zo hopen we uiteindelijk samen met partners uit het veld praktijkoplossingen te ontwikkelen."
Bron: WUR