Onderzoekers hebben een mechanisme ontrafeld dat verklaart hoe plantenwortels zich een weg banen door dichtgeperste grond. Deze ontdekking kan grote gevolgen hebben voor de ontwikkeling van toekomstbestendige gewassen, nu druk op landbouwgrond wereldwijd toeneemt.
Wortels gebruiken een eenvoudig mechanisch principe
Modern landbouwgebruik en zware machines leiden tot toenemende bodemverdichting, waardoor planten moeilijker kunnen groeien. Dergelijke verdichting wordt in veel gebieden verergerd door droogte-gerelateerde veranderingen in het klimaat. Toch blijken planten deels in staat te zijn dit probleem zelf op te lossen door hun wortels aan te passen.
Bekend was al dat wortels bij moeilijk doorwortelbare grond dikker kunnen worden en dat het hormoon ethylene hierbij een belangrijke rol speelt. Nieuw onderzoek heeft nu het mechanische en moleculaire samenspel achter deze aanpassing in kaart gebracht. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
Volgens Staffan Persson, professor aan de University of Copenhagen en senior auteur van de studie, biedt het inzicht in dit proces mogelijkheden om planten beter voor te bereiden op compacte bodems: "Omdat we nu begrijpen hoe planten hun wortels 'afstemmen' wanneer ze compacte grond tegenkomen, kunnen we ze stimuleren dat effect efficiënter uit te voeren."
Bipin Pandey, senior auteur en associate professor aan de University of Nottingham, legt de kernvergelijking uit: "De wortel verandert zijn structuur volgens een basisprincipe uit de techniek: hoe groter de diameter van een buis en hoe sterker de buitenwand, des te beter zij bestand is tegen knikking wanneer ze in compact materiaal wordt gedrukt." Door deze combinatie van worteldikking en een verstevigde buitenlaag functioneert de wortel als een biologisch wigmechanisme dat de doorgang door de grond vergemakkelijkt.
Moleculaire schakelaars en toepassingen
De studie toont bovendien aan dat het mechanisme versterkt kan worden. Door het verhogen van de hoeveelheid van een specifieke eiwit-regulator, een zogenaamde transcriptiefactor, werden wortels beter in staat geacht om door compacte bodem te dringen. Dit experiment werd uitgevoerd in rijst, maar onderzoekers verwachten dat het principe breed toepasbaar is.
Jiao Zhang, eerste auteur en postdoc aan Shanghai Jiao Tong University, zegt: "Met deze nieuwe kennis kunnen we wortelarchitectuur herontwerpen om beter om te gaan met verdichte bodems. Dat opent nieuwe wegen in gewasveredeling."
Naast rijst zijn delen van hetzelfde mechanisme ook aangetroffen in Arabidopsis, een plantensoort die evolutionair ver verwijderd is van rijst. Dat ondersteunt het idee dat het proces wijdverbreid is onder planten.
Wanqi Liang, professor en senior auteur van Shanghai Jiao Tong University, benadrukt de bredere relevantie: "Onze bevindingen kunnen helpen bij het ontwikkelen van gewassen die beter toegerust zijn om te groeien op bodems die door landbouwmachines of klimaat-gerelateerde droogte zijn verdicht. Dat is cruciaal voor duurzame landbouw in de toekomst."
Het onderzoek identificeerde daarnaast meerdere transcriptiefactoren die essentieel lijken voor celluloseproductie en celwandversterking. Deze ontdekkingen kunnen verstrekkende gevolgen hebben voor de vorm en structuur van planten, en mogelijk leiden tot nieuwe strategieën om planten met gewenste vormen en eigenschappen te ontwikkelen.
Zoals Persson samenvat: "De transcriptiefactoren die we vonden zijn een goudmijn voor de celwandbiologie. Er is hier meer dan genoeg om me tot aan mijn pensioen bezig te houden."
Betrokken instellingen
Het project is uitgevoerd door onderzoekers verbonden aan meerdere instellingen, wat de internationale samenwerking onderstreept. Tot de bijdragende organisaties behoren:
- Shanghai Jiao Tong University
- the University of Nottingham
- Universidad Argentina de la Empresa
- the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
- Zhejiang University
- Duke University
- Ludwig Maximilian University
- the University of Copenhagen
De combinatie van mechanische inzichten en moleculaire biologie in dit onderzoek vormt een voorbeeld van hoe fundamenteel begrip van plantfysiologie kan leiden tot praktische toepassingen voor landbouw en gewasverbetering.
| Onderdeel | Belangrijkste bevinding | Toepassing |
|---|---|---|
| Mechanica | Grote diameter + sterke buitenwand voorkomt knikken | Verbeterde wortelstructuur tegen verdichting |
| Moleculair | Transcriptiefactoren verhogen cellulose en versteviging | Genetische veredeling voor betere penetratie |
| Praktijk | Experimenteel bewezen in rijst; aanwijzingen in Arabidopsis | Brede toepasbaarheid voor verschillende gewassen |
De inzichten uit dit onderzoek kunnen leiden tot nieuwe veredelingsstrategieën waarmee gewassen minder gevoelig worden voor de negatieve effecten van bodemverdichting. Dat is relevant voor boeren die te maken hebben met zware machines en veranderende klimatologische omstandigheden.
Veelgestelde vragen
1. Waarom is bodemverdichting een probleem voor gewassen?
Bodemverdichting vermindert de porositeit en beperkt de doorgang van water, lucht en wortels. Dat belemmert de opname van water en voedingsstoffen en kan opbrengsten verlagen.
2. Werkt de methode alleen bij rijst?
De experimenten waren gericht op rijst, maar gedeelten van hetzelfde mechanisme zijn ook gevonden in Arabidopsis. Dit wijst erop dat het principe waarschijnlijk bij veel plantensoorten geldt.
3. Wat houdt het verhogen van een transcriptiefactor in?
Een transcriptiefactor is een eiwit dat genen in- of uitschakelt. Door de hoeveelheid van één specifieke factor te verhogen, veranderde de wortelstructuur en kon de wortel beter door compacte grond groeien.
4. Heeft dit directe toepassingen voor boeren?
De bevindingen creëren mogelijkheden voor toekomstige veredeling van gewassen die beter bestand zijn tegen verdichte bodems, maar vertaalslagen naar commerciële rassen vergen nog verdere ontwikkeling en tests.
