DOOR GERT VAN MAANEN - Bipin K Pandey e.a / Science - 16-01-2021 - Botanie
Confocale opnamen van radiale doorsneden door de differentiatiezone van rijstworteltopjes bij groei in een gewone (links) of verdichte bodem (rechts). Foto's: Bipin K Pandey e.a. , Science, 15 januari 2021
Plantenwortels kunnen best in verdichte bodem doordringen, maar ophoping van plantenhormoon ethyleen legt de wortelgroei stil.
Bodemverdichting is wereldwijd een groeiend probleem bij gewasproductie. Toch blijkt het vastgeroeste idee dat het voor wortels fysiek onmogelijk is om in verdichte bodem door te dringen niet te kloppen. Het vluchtige plantenhormoon ethyleen (C2H4) hoopt zich bij bodemverdichting simpelweg rond de worteltoppen op, waardoor de plant zelf de lengtegroei van de wortels stillegt. Voor dit relatief simpele mechanisme publiceert een internationale groep plantenwetenschappers overtuigend bewijs in Science van 15 januari, gebaseerd op een reeks ingenieuze experimenten en waarnemingen aan rijst- en zandraketplanten en in bodems zelf.
Slagroom
‘Zelf werk ik al 35 jaar aan ethyleen als signaalstof, maar nu vallen allerlei puzzelstukjes opeens op hun plaats. Voor mij is het echt slagroom op de taart’, aldus hoogleraar ecofysiologie van planten Rens Voesenek van Universiteit Utrecht. Hij is samen met de recent bij hem gepromoveerde Sjon Hartman, nu werkzaam in Birmingham, mede-auteur van het artikel en verantwoordelijk voor een deel van de experimenten die de belangrijke rol van ethyleen in verdichte bodems ophelderen. ‘We wisten al dat ethyleen in plantenwortels een belangrijke rol speelt onder stressomstandigheden zoals bij overstroming en verzilting, maar nu dus ook bij bodemverdichting. Bij verhoogde concentraties ethyleen treedt remming van lengtegroei op en verdikken de wortels, vertelt Voesenek. ‘Iedere plantencel kan ethyleen produceren, maar er bestaat in planten geen metabolische route die dit hormoon kan afbreken. Dus concentratieveranderingen in ethyleen zijn altijd te relateren aan veranderingen in productie bij de bron of door diffusie naar de omgeving.’
Eyeopener
Een eyeopener voor de rol van ethyleen bij bodemverdichting was de ontdekking dat ethyleen-ongevoelige rijst- en zandraketmutanten wel effectief kunnen wortelen in compacte bodems. ‘Tijdens een symposium in 2019 kwamen we daarom op het idee dat stagnatie van wortelgroei bij bodemverdichting misschien gewoon een gevolg is van verminderde diffusie en dus ophoping van ethyleen. Dat is iets wat we ook zien bij overstroming, want ook water vertraagt diffusie’, zegt Hartman. Om het bewijs voor het ethyleendiffusiemodel rond te krijgen is de afgelopen twee jaar uitgebreid geëxperimenteerd met planten waarbij de lokale ethyleensignalering met groen fluorescent eiwit (GFP) zichtbaar is gemaakt.
In verdichte bodems is nauwelijks
nog sprake van ethyleendiffusie
Daarnaast is in Nottingham de dikte- of lengtegroei van rijstwortels in reactie op ethyleen of bodemverdichting nauwkeurig gekwantificeerd met extreem gevoelige micro-CT-imaging. Utrechtse experimenten sluiten uit dat vertraging van wortelgroei in verdichte bodems een gevolg is van verlaagde zuurstofniveaus en relatief simpele experimenten met bodemkolommen laten zien dat in verdichte bodems nauwelijks nog sprake is van ethyleendiffusie. ‘Onverdichte bodemkolommen lieten na een paar uur nog wel ethyleen door, maar zelfs na twintig dagen kwam er geen spoor van dit gasvormige hormoon door de verdichte bodemkolom’, aldus Hartman.
‘Ethyleen is dus een vroeg waarschuwings-
signaal voor omgevingsstress'
‘De simpele samenvatting is dat de wortelgroei bij bodemverdichting niet stilvalt door mechanische belemmeringen maar door ophoping van ethyleen. Dus als gevolg van signaalprocessen in de plant zelf’, concludeert Voesenek. ‘Ethyleen is dus een vroeg waarschuwingssignaal voor omgevingsstress zoals bodemverdichting.’ Omdat planten variatie in ethyleengevoeligheid bezitten, biedt dit mogelijkheden om te veredelen op gewassen die beter wortelen in verdichte bodems. Het werpt volgens Voesenek ook nieuw licht op eerder onbegrepen fenomenen, bijvoorbeeld waarom grote weegbree ( Plantago major ) zo goed tegen betreding kan en vooral langs wandelpaden groeit.
Elegantie
‘Een echt mooi en overtuigend resultaat’, oordeelt ook de Wageningse plantenonderzoeker Dolf Weijers, niet direct betrokken bij het onderzoek. ‘Het verklaart prachtig een aantal waarnemingen die al langer bekend waren en de elegantie zit deels in de eenvoud. Maar ook de rol van enige serendipiteit, door onverwacht gedrag van ethyleenmutanten, en de hele experimentele ontrafeling maken het een heel elegante studie.’
Bericht op NPO Radio 1:
