Wanneer planten worden aangevreten door insecten of bedreigd worden door schadelijke micro-organismen, lijken ze dit op het eerst gezicht passief te ondergaan. Maar planten zijn verre van weerloos: ze zijn in staat om de meeste aanvallen te weerstaan. Hoogleraar Saskia van Wees onderzoekt hoe het afweersysteem van planten werkt en welke rol plantenhormonen daarbij spelen. Met deze inzichten wil ze bijdragen aan een wereld zonder chemische gewasbeschermingsmiddelen. Op 28 november hield ze haar oratie aan de Universiteit Utrecht.
Toen Van Wees biologie studeerde in Utrecht, zag ze dat veel van haar studiegenoten kozen voor een meer medische richting. Maar Van Wees besloot een ander pad in te slaan: "Ik was altijd al een beetje tegendraads. Ik geloofde dat ik meer impact kon maken door me te richten op planten en voedselzekerheid."
Want plantenziektes kunnen de voedselzekerheid bedreigen, en daarmee het bestaan van grote groepen mensen. Van Wees: "Denk maar aan de aardappelziekte, die in de negentiende eeuw de bekende Ierse hongersnood veroorzaakte. Hierdoor stierven een miljoen Ieren en vluchtten er 1,5 miljoen Ieren naar Amerika."
Hormonen
Nu onderzoeken Van Wees en haar onderzoeksgroep hoe planten zich verdedigen tegen potentiële bedreigingen. Plantencellen nemen de aanwezigheid van micro-organismen waar met receptoren, eiwitten op het celoppervlak die binden aan stukjes van deze micro-organismen of aan onderdelen van plantencellen die door micro-organismen zijn beschadigd.
Zodra de plant de micro-organismen of schade opmerkt, wordt een afweerreactie in gang gezet. Twee plantenhormonen bepalen hoe deze reactie verloopt: salicylzuur en jasmonzuur. Salicylzuur regelt vooral de afweer tegen ziekteverwekkers die plantencellen in leven houden, terwijl ze er voedingsstoffen uit halen. Jasmonzuur regelt met name de afweer tegen ziekteverwekkers die plantencellen juist kapot maken om zo bij de voedingsstoffen te komen. Ook wanneer cellen stukgemaakt worden door insecten die de plant aanvreten, speelt jasmonzuur een belangrijke rol.
Flexibel afweersysteem
Van Wees kwam er als promovendus in de jaren negentig achter dat de twee plantenhormonen elkaar wederzijds beïnvloeden. Zo zorgen ze ervoor dat de afweerreactie wordt opgeroepen die goed past bij de aanvaller waarmee de plant wordt geconfronteerd. Later ontdekten Van Wees en collega's dat twee andere hormonen, abscisinezuur en ethyleen, op hun beurt weer invloed hebben op hoe salicylzuur en jasmonzuur de afweer regelen.
Deze inzichten hebben nog steeds veel invloed op haar eigen onderzoek en dat van vele andere plantenonderzoekers wereldwijd. Van Wees: "We weten nu dat planten een flexibel, door hormonen gereguleerd afweersysteem hebben waarmee ze zichzelf kunnen beschermen tegen allerlei soorten aanvallers."
Gewasbeschermingsmiddelen
Om plantenziektes te bestrijden, worden nu nog vaak chemische gewasbeschermingsmiddelen ingezet. Maar Van Wees geeft aan dat we daar zoveel mogelijk vanaf moeten, omdat ze vaak schadelijke bijeffecten hebben op het bodemleven, insecten en mensen.
Om het mogelijk te maken minder gewasbeschermingsmiddelen te gebruiken, richt de agrarische sector zich nu nog vaak op het ontwikkelen van plantenrassen met zogenaamde resistentie-eiwitten. Schadelijke micro-organismen die ziektes veroorzaken, hebben stofjes ontwikkeld die ze in plantencellen spuiten om de afweerreactie te onderdrukken. Planten ontwikkelden als reactie daarop resistentie-eiwitten die de ingespoten stofjes herkennen, waarna er alsnog een sterke afweerreactie in gang wordt gezet.
Combinatie
Maar volgens Van Wees is het beter om daarnaast ook in te zetten op plantenhormonen: "Micro-organismen zijn met velen en hebben een korte generatietijd, waardoor ze zich heel snel aan planten en hun eiwitten kunnen aanpassen. Hierdoor werken de resistentie-eiwitten al relatief snel niet meer, en moet je dus steeds nieuwe plantenrassen met nieuwe resistentie-eiwitten ontwikkelen. Maar als je planten weerbaarder maakt via de hormoon-gereguleerde afweer, dan maakt de plant bij een infectie sneller en meer afweerstoffen aan, zodat de infectie geremd wordt. Dat helpt niet alleen tegen een specifieke ziekteverwekker, maar ook tegen nieuwe varianten of zelfs nieuwe ziektes. Daarom zou een combinatie van het veredelen op basis van resistentie-eiwitten en het versterken van de hormoon-gereguleerde afweer een duurzame aanpak kunnen zijn."
Genexpressie
Om de hormoon-gereguleerde afweer te versterken, is het eerst nodig te begrijpen hoe die werkt. Want hoe kunnen een paar hormonen nu zoveel verschillende effecten hebben?
Van Wees legt uit dat wanneer de concentratie van een hormoon stijgt, door een infectie bijvoorbeeld, er vervolgens allerlei genen "aangezet" kunnen worden. Dat betekent dat het DNA wordt overgeschreven in RNA, dat dan weer wordt vertaald in een eiwit. Van Wees: "Toen ik met dit onderzoek begon, konden we alleen maar per gen meten of het werd aangezet. Dankzij technologische ontwikkelingen kunnen we dat nu doen bij alle genen tegelijk."
Kunstmatige intelligentie
Na herkenning van bijvoorbeeld een ziekteverwekker of insect worden verschillende hormonen op verschillende momenten en in verschillende hoeveelheden geproduceerd. Van Wees en haar collega's onderzoeken welke genen er door de hormonen worden aangezet na vraat door insecten, bij infectie en bij stress door omgevingsfactoren, zoals droogte. Ook onderzoeken ze wat er gebeurt als de plant wordt blootgesteld aan een combinatie van stressfactoren, zoals een infectie én droogte. Daarbij richten ze zich op hoe de regulatie van genen verandert door de tijd.
Deze onderzoeken leveren veel en complexe data op. Daarom werkt Van Wees sinds kort ook samen met onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam, die de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van kunstmatige intelligentie (AI) inzetten om de complexe data te ontrafelen.
Alle plantenonderzoekers
In haar oratie benadrukt Van Wees dat plantenhormonen betrokken zijn bij bijna alles wat er in een plant gebeurt. Van Wees: "Eigenlijk durf ik wel te stellen dat alle plantonderzoekers, ook al weten ze het zelf nog niet, aan hormonen werken."
Bron: Universiteit Utrecht