Plantencellen slaan alarm met waterstofperoxide als ze verwond raken

Een schaafwond schoonmaken met waterstofperoxide is bekend terrein voor mensen. Datzelfde molecuul speelt ook een cruciale rol in planten: het werkt als een intern alarmsignaal zodra een plant gewond raakt, droogte ervaart of wordt aangevallen door insecten of schimmels. Onderzoekers van de University of Delaware hebben nu voor het eerst in detail vastgelegd hoe dat alarm zich door een plant verspreidt, via nanoscopisch kleine verbindingskanaaltjes tussen cellen.

Piepkleine bruggen tussen cellen

De kanaaltjes heten plasmodesmata en vormen de directe verbindingen tussen de celwanden van naburige plantencellen. Via deze bruggetjes wisselen cellen signaalstoffen uit, zodat het hele plantenweefsel gecoördineerd kan reageren op dreiging. Plantbioloog Jung-Youn Lee onderzoekt al jaren hoe planten onderscheid maken tussen stress door levende aanvallers, zoals bacteriën of insecten, en stress door omgevingsfactoren zoals droogte of verwonding. In 2016 toonde haar team al aan dat daarvoor verschillende routes door de plasmodesmata lopen.

Voor het nieuwe onderzoek, gepubliceerd in het vaktijdschrift The Plant Cell, gebruikte het team een genetisch aangepast meetinstrument genaamd HyPer7. Dit eiwit licht op onder de microscoop zodra het in aanraking komt met waterstofperoxide. De wetenschappers brachten het eiwit aan in Australische wilde tabak en zandraket, een veelgebruikte modelplant, en volgden vervolgens live wat er gebeurde na een verwonding.

Een vertraagde golf in plaats van één grote knal

De onderzoekers verwachtten dat de plasmodesmata ongeveer gelijktijdig zouden reageren met de rest van de cel. Dat bleek niet zo te zijn. Vlak bij de wond lichtte het signaal meteen op, maar plasmodesmata verder weg reageerden pas later, als afzonderlijke controleposten die om de beurt een bericht doorgeven. Bioimaging-directeur Jeffrey Caplan, die meewerkte aan het onderzoek, noemt de kanaaltjes opvallend gevoeliger en sneller dan de rest van de cel. Dat is deels te verklaren doordat de waterige celvloeistof, het cytoplasma, vol eiwitten zit die waterstofperoxide juist actief afbreken en onschadelijk maken.

Volgens hoofdonderzoeker Niraj Kumar Vishwakarma is dit de eerste keer dat zo'n realtime reactie van onstabiele zuurstofmoleculen precies op het niveau van de plasmodesmata is gemeten. Waarom het signaal vertraagd verder reist, is nog onduidelijk; dat wordt vervolgonderzoek.

Op naar steviger gewassen

De bevindingen zijn meer dan een curiositeit voor plantenbiologen. Als wetenschappers precies weten hoe plasmodesmata reageren op verschillende soorten stress, kunnen ze in de toekomst gericht ingrijpen om planten sneller en efficiënter te laten reageren op bijvoorbeeld droogte of hitte. Dat kan uiteindelijk bijdragen aan gewassen die beter standhouden in een veranderend klimaat, zonder dat daarvoor meteen zware chemische behandelingen nodig zijn. Lee noemt het een nieuw gereedschap in de toolkit om planten weerbaarder te maken tegen extreme omstandigheden.