Onderzoekers hebben ontdekt hoe plantwortels door verdichte grond kunnen dringen door gebruik te maken van een bekend ingenieursprincipe. Deze bevinding zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor de toekomstige ontwikkeling van gewassen, vooral nu de druk op landbouwgrond toeneemt.
Over de hele wereld wordt bodemverdichting een steeds ernstiger probleem. Zware voertuigen en machines in de moderne landbouw zijn zo in staat om de grond te comprimeren dat gewassen moeite hebben om te groeien. In veel regio’s wordt dit probleem verergerd door droogte die verband houdt met klimaatverandering.
Maar planten kunnen mogelijk een deel van het probleem zelf oplossen — met een beetje hulp van ons. Het is al bekend dat wanneer de grond dicht en moeilijk door te dringen wordt, planten kunnen reageren door hun wortels te verdikken.
Tot nu toe was het echter onduidelijk hoe ze dit precies doen, afgezien van het feit dat het plantenhormoon ethyleen een sleutelrol speelt. Onderzoekers hebben nu het mechanisme ontrafeld. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
“Omdat we nu begrijpen hoe planten hun wortels afstemmen wanneer ze geconfronteerd worden met verdichte grond, kunnen we ze mogelijk beter voorbereiden om dit effectiever te doen,” zegt Staffan Persson, professor aan de Universiteit van Kopenhagen en senior auteur van de studie.
“Met andere woorden, de wortel verandert zijn structuur in overeenstemming met een basisprincipe van de engineering: hoe groter de diameter van een pijp en hoe sterker zijn buitenwand, hoe beter hij kan weerstaan tegen het buigen bij het indrukken in een compact materiaal,” legt Bipin Pandey, senior auteur en universitair hoofddocent aan de Universiteit van Nottingham, uit.
De combinatie van wortelzwelling en een versterkte buitenlaag stelt de wortel in staat om als een soort biologisch wig te functioneren, waardoor hij zich gemakkelijker door de grond kan wurmen.
“Het is fascinerend om te zien hoe planten gebruik maken van mechanische concepten die we kennen uit de bouw en het ontwerp om biologische uitdagingen op te lossen,” zegt Persson.
De studie onthult ook hoe dit mechanisme kan worden versterkt: “Onze resultaten tonen aan dat door de niveaus van een specifiek eiwit — een transcriptiefactor — te verhogen, de wortel beter in staat is om door verdichte grond te dringen. Met deze nieuwe kennis kunnen we beginnen met het herontwerpen van de wortelarchitectuur om effectiever om te gaan met verdichte bodems. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor gewasveredeling,” zegt eerste auteur Jiao Zhang, postdoc aan de Shanghai Jiao Tong University.
Hoewel de experimenten zijn uitgevoerd met rijst, geloven de onderzoekers dat het mechanisme in principe ook breder toepasbaar is in andere plantensoorten. Delen van hetzelfde mechanisme zijn ook geïdentificeerd in Arabidopsis, dat evolutionair gezien ver afstaat van rijst.
“Onze resultaten kunnen helpen bij het ontwikkelen van gewassen die beter zijn uitgerust om te groeien in bodems die verdicht zijn door landbouwmachines of klimaatgerelateerde droogte. Dit zal cruciaal zijn voor de toekomstige duurzame landbouw,” zegt professor en senior auteur Wanqi Liang van de Shanghai Jiao Tong University.
Dit werk opent ook nieuwe kansen in de plantenveredeling in het algemeen. Het team heeft vele aanvullende transcriptiefactoren geïdentificeerd die lijken te fungeren als belangrijke regulatoren van celluloseproductie — met verstrekkende implicaties voor de vorm en structuur van planten. Bijvoorbeeld, het kan mogelijk worden om planten te ontwerpen met verschillende vormen, wat ten goede kan komen aan bepaalde gewassen.
“De transcriptiefactoren die we ontdekt hebben, zijn een goudmijn voor de celwandbiologie. Er is hier meer dan genoeg om me bezig te houden tot mijn pensioen,” sluit Persson af.
