Nieuw orgaan ontdekt in 's werelds meest bestudeerde plant

Met een tien jaar durend onderzoek toonde een bioloog aan dat de zandraket horizontale uitlopers maakt die aparte ‘lichaamsdelen’ zijn: zogenaamde cantils.

Onderzoekers van de Pennsylvania State University ontdekten een onderdeel van een plant, cantil genaamd, een horizontaal uitsteeksel aan de stengel van de zandraket. De structuur lijkt op de cantilevers die in de bouw worden gebruikt; ze ondersteunen een andere steel die aan de bloem zit.  Op deze foto van een zandraket zijn een grote en twee kleinere cantils te zien.

Foto van Timothy Gookin, Pennsylvania State University
Gepubliceerd 18 jun. 2021 11:38 CEST, Geüpdatet 18 jun. 2021 14:12 CEST

De machinerie van het leven is duizelingwekkend complex. In hun pogingen om daar enig inzicht in te krijgen focussen wetenschappers zich al tientallen jaren op ‘modelorganismen’: bepaalde soorten die eenvoudig in een laboratorium te bestuderen zijn en over essentiële kenmerken beschikken die veel andere levensvormen ook hebben. Denk daarbij bijvoorbeeld aan de laboratoriummuis, het fruitvliegje en een bescheiden plant die als onkruid wordt gezien: de zandraket oftewel Arabidopsis thaliana.

Modelorganismen behoren tot de best onderzochte levensvormen ter wereld. Dus je kunt je voorstellen hoe verrast wetenschappers waren toen een volhardende bioloog met een tien jaar durend onderzoek een gloednieuw orgaan ontdekte bij de zandraket, dat altijd over het hoofd was gezien.

Het recent ontdekte orgaan, dat onlangs werd beschreven in een artikel in het vakblad Development, is een horizontale uitloper aan de hoofdstengel van Arabidopsis die dient ter ondersteuning van de bloemsteel, het stengeltje dat aan de bloembasis zit. Het onderdeel doet denken aan een ondersteunend element uit de bouw dat ‘cantilever’ wordt genoemd. Dat was de reden dat de onderzoekers de organen ‘cantils’ noemden.

“Er zijn nog steeds nieuwe dingen te ontdekken!” aldus de hoofdonderzoeker Timothy Gookin, een voormalige postdoc van de Pennsylvania State University.

Lees ook: Deze spinnen geven hun kliekjes aan vleesetende planten

Een verrassend uitsteeksel

Het bloeiende plantje Arabidopsis thaliana is een inheemse soort in Europa en Azië. Mensen nemen het ongetwijfeld al duizenden jaren waar, her en der bloeiend langs de Zijderoute en opkomend op verwaarloosde stukjes Romeinse landbouwgrond. De soort werd rond 1570 wetenschappelijk beschreven en sinds de jaren negentig van de vorige eeuw houden wetenschappers zich bezig met de genetische ontleding ervan. Omdat het plantje een beperkt genoom heeft en eenvoudig te kweken is, wordt het al tientallen jaren door biologen gebruikt om de geheimen van alle planten op celniveau te ontraadselen.

In 2015 waren er ruim 54.000 wetenschappelijke artikelen over Arabidopsis verschenen en daarna zijn er nog eens zo'n 4.000 per jaar gepubliceerd. Er is inmiddels zo veel bekend over het DNA van de plant dat wetenschappers online bepaalde mutaties van de soort kunnen bestellen. Maar hoe kan het dan dat een volledig orgaan van Arabidopsis zo lang onontdekt bleef?

Dat heeft deels te maken met het feit dat cantils kieskeurig zijn. Normaalgesproken groeien bloemsteeltjes direct aan de stam bij de Arabidopsis, zonder tussenkomst van een cantil. Deze vormen zich alleen wanneer de plant tijdens een verlengd ‘voorjaar’ groeit, in groeicondities waarin de plant slechts acht tot tien uur zonlicht per dag krijgt, in plaats van de twaalf of meer die ze in de zomer beleven.

Daarnaast vormen cantils zich rond een bepaald deel van de stengel: op de scheidslijn tussen het deel met de bladeren aan de onderkant van de stengel en het bovenste deel waar de bloem zich bevindt. De ontdekking van de cantil is te vergelijken met de vondst van een geheel nieuw orgaan in muizen of fruitvliegjes, dat zich alleen onder bepaalde omstandigheden vormt wanneer de dieren in de puberteit komen.

“Ik denk dat dit een van die artikelen wordt die mensen lezen en dan denken: ‘Oh ja, dat heb ik wel eens gezien! Ik vroeg me al af wat dat was!’”, stelt botanicus Dominique Bergmann van de Amerikaanse Stanford University die niet bij het onderzoek betrokken was.

Kijk hoe een gemuteerde plant in actie komt bij een aanval
Op nieuwe video-opnamen is duidelijk te zien welke interne alarmbellen afgaan bij planten als ze zich moeten verdedigen.

Deconstructie van de cantil

De eerste keer dat Gookin de cantils opmerkte was in 2008, toen hij in het laboratorium van plantkundige Sarah Assmann van de Pennsylvania State University werkte. Gookin, die toen een aanstelling als postdoc had, deed onderzoek naar de genetische aspecten van veroudering van bladeren. Daarbij gebruikte hij bepaalde mutanten van Arabidopsis die er niet tegen konden wanneer ze te weinig uren daglicht kregen.

Bekijk ook: Fotoserie: 24x wonderlijke planten onder de microscoop


Tijdens die experimenten viel hem iets vreemds op: bij sommige planten vormden zich horizontale uitlopers van enkele millimeters groot aan de stengel. Gookin besteedde geen aandacht aan de waarneming; hij dacht dat het een toevallige mutatie was van de laboratoriumplanten.

Maar in de loop van zijn onderzoek zag Gookin het verschijnsel steeds opnieuw opduiken, zelfs bij sommige wilde exemplaren van Arabidopsis die niet waren gemanipuleerd voor laboratoriumonderzoek. Hij onderzocht elke mogelijke oorzaak van buitenaf en kweekte zelfs planten in verschillende laboratoria om er zeker van te zijn dat de groei van de structuren niet het gevolg was van stoffen die werden meegenomen door het luchtsysteem van zijn oorspronkelijke lab.

Maar steeds weer doken de structuren op. Pas toen begon hij te geloven dat de groei van de cantils geen toeval was, maar dat deze een onderdeel vormen van de opmaak van Arabidopsis dat nog nooit eerder was beschreven.

Jarenlang deed Gookin 's avonds en in de weekends onderzoek naar de genetische achtergrond van cantils. Hoewel hij nog geen volledig beeld heeft, deed hij tot nog toe drie belangrijke ontdekkingen. Zo blijkt een gen met de naam FLOWERING LOCUS T, dat een cruciale rol speelt bij de bloemvorming van planten, de oorzaak van de vorming van cantils. Ten tweede wordt de kans dat zich cantils vormen groter wanneer moleculen genaamd G-proteïnen (die de cellen helpen bij de ontvangst van signalen van buiten) worden onderdrukt.

En tot slot ontdekte Gookin dat een belangrijk gen met de naam ERECTA als hoofdschakelaar dient voor cantils. Wanneer dat gen wordt uitgeschakeld, ontstaan er geen cantils, wat er verder ook met de andere genen gebeurt.

De rol van ERECTA bij de vorming van cantils is een gedeeltelijke verklaring voor het feit dat deze nooit eerder werden ontdekt. Exemplaren van de Arabidopsis met een defect ERECTA-gen doen het uitgesproken goed in het laboratorium. Ze groeien recht omhoog en hebben geen extra ondersteuning nodig, wat ook de naam van het gen verklaart. Het overgrote deel van het onderzoek naar Arabidopsis wordt uitgevoerd met dit soort exemplaren. Dat betekende dat veel wetenschappelijk onderzoek werd gedaan met planten die niet in staat waren om cantils te vormen.

Wat is het nut van cantils?

De ontdekking maakt weer eens duidelijk hoe flexibel flora zijn in hun evolutionaire ontwikkeling. Omdat planten niet naar een andere omgeving kunnen verkassen, moeten ze steeds nieuwe organen ontwikkelen en hun structuur gaandeweg aanpassen.

“Wij worden geboren en doen de rest van ons leven met de armen die we toen kregen,” stelt Bergmann. “Maar voor een plant is het: ik heb hier zes armen nodig.” Die flexibiliteit (en biochemische chaos) is op zijn hoogtepunt als planten zich voorbereiden op de bloei. Het is dan ook opvallend dat zich alleen in die periode cantils vormen bij Arabidopsis.

Lees ook: Planten helpen onze CO2 te absorberen, maar hoelang nog?

Het is nu nog niet duidelijk of cantils de zandraket helpen om in het wild te overleven of dat de uitsteeksels een onschuldig bijeffect zijn van andere veranderingen in de plant. Mogelijk zijn het rudimentaire structuren, wat inhoudt dat het evolutionaire restanten zijn van een voorouder in de stamboom van de plant, die geen praktisch nut meer hebben.

Bioloog Nicholas Provart van de University of Toronto, die niet betrokken was bij de studie, denkt dat cantils geen groot voordeel opleveren voor Arabidopsis, omdat het orgaan alleen in specifieke omstandigheden opduikt. Maar ondanks het feit dat niet duidelijk is wat de functie van de cantil is, is Provart in ieder geval onder de indruk van de moeite die Gookin heeft gedaan om de structuur te ontleden - en om een nieuw orgaan te vinden in de meest onderzochte plant ter wereld. “Het was een soort liefdewerk oud papier,” stelt hij.

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

Lees meer

Ontdek Nat Geo

  • Dieren
  • Milieu
  • Geschiedenis en Cultuur
  • Wetenschap
  • Reizen
  • Fotografie
  • Ruimte
  • Video

Over ons

Abonnement

  • Abonneren
  • Schrijf je in
  • Shop
  • Disney+

Volg ons

  • Gebruiksvoorwaarden
  • Privacyverklaring
  • Cookiebeleid
Copyright © 1996-2015 National Geographic Society. Copyright © 2015-2017 National Geographic Partners, LLC. Alle rechten voorbehouden.