Eerste landplanten maakten al vetten voor hun schimmels

Het levermos Marchantia paleacea geeft vetten cadeau aan de schimmels bij zijn wortels, net als 80 procent van alle andere landplanten.

Zonder schimmels om mee samen te werken, hadden planten nooit het land gekoloniseerd. De productie van vetten blijkt daarbij cruciaal, een mechanisme dat 450 miljoen jaar geconserveerd is gebleven.

De eerste planten die 450 miljoen jaar geleden het land koloniseerden, konden dat alleen doen door vriendschappen aan te gaan met schimmels; dit noodzakelijke mutualisme was mogelijk door de biosynthese van lipiden, die de planten cadeau gaven in ruil voor nutriënten en water om te kunnen overleven in hun nieuwe stressvolle omgeving. Dat schrijft een internationaal team biologen 21 mei in Science na uitvoerige transcriptoomanalyses aan het levermos Marchantia paleacea. Het vermogen om deze voor schimmels bestemde lipiden te produceren blijkt tot op de dag van vandaag geconserveerd in landplanten, waarvan nog steeds 80 procent in hun wortels samenwerking aangaat met deze zogeheten arbusculaire mycorrhiza’s.

Schimmeldraden
‘Dit onderzoek raakt aan een ontzettend interessante discussie voor biologen, namelijk: wat moest er in planten veranderen om vanuit het water het land op te gaan?’, vertelt Harro Bouwmeester, plantenhormoonbioloog bij de Universiteit van Amsterdam. Hij was niet betrokken bij de studie, maar schreef er als reviewer wel een Science-perspective bij. ‘Er is volop fossiel bewijs dat vroegere landplanten al een netwerk van schimmeldraden hadden, die vanaf hun primitieve wortels de bodem in groeiden – hierdoor konden ze beter water en nutriënten opnemen. Dit deden ze in ruil voor suikers uit de fotosynthese, zo werd althans lang gedacht.’

Primitief
Sinds enkele jaren is duidelijk dat moderne landplanten ook lipiden produceren voor hun arbusculaire mycorrhiza’s. Tot nu toe was onduidelijk hoe oud dit mechanisme is en of het een vereiste was voor de eerste landplanten om een symbiose aan te gaan. Om dat te achterhalen vergelijken de onderzoekers bestaande genexpressiegegevens van hogere landplanten tijdens mycorrhiza-kolonisatie met die van M. paleacea , een van de primitiefste planten op aarde.

Zodoende komen ze een reeks genen op het spoor die in zowel hogere planten als het levermos tot expressie komen tijdens de schimmelsymbiose. Wanneer ze vervolgens verder inzoomen, vinden ze hieronder de genen die betrokken zijn bij de vetbiosynthese. Ook laten ze met een reeks experimenten zien hoe de lipiden vanuit M. paleacea in de schimmels terecht komen.

Wrinkled
Een transcriptiefactor in het bijzonder blijkt cruciaal bij de synthese van de lipiden: wrinkled . Levermos heeft daar slecht één kopie van, maar tijdens de evolutie van hogere planten is de transcriptiefactor een aantal keer gedupliceerd. Blijkbaar is de regulatie van vetbiosynthese ten behoeve van de symbiose in hogere planten verder geoptimaliseerd, maar hoe en waarom dat precies tot stand is gekomen blijft onduidelijk.

Zaadplanten
‘De onderzoekers hebben het verhaal nu echt van a tot z helemaal doorlopen; heel knap en indrukwekkend werk’, vertelt Bouwmeester. ‘Wat ik ook erg interessant vind, is dat deze transcriptiefactor die betrokken is bij de symbiotische lipideproductie in de wortels van levermos, miljoenen jaren later in de zaden van zaadplanten een functie heeft gekregen die los staat van de symbiose, namelijk de productie van zaadvetten. Daar valt mijn mond echt van open.’