Hoe ontstaat de regelmatige rangschikking van bladeren en bloemen langs een plant?

Fyllotaxis – de manier waarop bladeren of bloemen volgens een vast patroon langs een stengel zijn gerangschikt – is een klassiek en wijd bestudeerd fenomeen. Deze ordening volgt vaak wiskundige patronen en zorgt ervoor dat bladeren elkaar zo min mogelijk overlappen, waarvan wordt verondersteld dat het de opname van zonlicht voor fotosynthese optimaliseert. 

Plantenwetenschappers zijn er in de loop der tijd in geslaagd de uiterlijke kenmerken van dit aspect van plantarchitectuur nauwkeurig te beschrijven. Maar de onderliggende mechanismen die dit proces aansturen zijn een stuk moeilijker te doorgronden. In experimenten met de modelplant Arabidopsis (zandraket) en komkommer hebben onderzoekers van WUR en Rijk Zwaan ontdekt dat genetische regulatie, groeisnelheid, hormonen en fysieke eigenschappen van de plant in nauwe samenhang zorgen voor de stabiele rangschikking van bladeren en bloemen. De onderzoekers hebben hun bevindingen in twee afzonderlijke papers gepubliceerd in het toonaangevende wetenschappelijke tijdschrift New Phytologist waarbij één van de papers de eer had om de cover van het tijdschrift te sieren.

De eerste publicatie van het onderzoeksteam bouwt voort op eerdere door hen uitgevoerde experimenten met zogeheten PLETHORA-transcriptiefactoren (PLT’s): eiwitten die een sleutelrol spelen in plantontwikkeling. “Het viel toen op dat het uitschakelen van drie PLT-eiwitten - wat werd gedaan om de invloed op groeipunten (meristemen, red.) van planten te onderzoeken - verrassenderwijs ook leidde tot afwijkingen in het spiraalpatroon van de bladeren en bloemen van Arabidopsis. Maar hoe die afwijkingen precies ontstonden, was toen onduidelijk”, vertelt eerste en co-corresponding auteur Merijn Kerstens.

In deze nieuwe studie onderzochten Kerstens (die verbonden is aan het Laboratorium voor Cel- en Ontwikkelingsbiologie). en zijn collega’s dit effect gericht verder. “We zagen dat de afwijkende patronen niet hoofdzakelijk ontstaan doordat nieuwe bladeren of bloemen vanaf het begin op de verkeerde plek worden aangelegd. Het groeipunt van de plant functioneert aanvankelijk grotendeels normaal. Maar door het wegvallen van PLT-regulatie ontwikkelt de bloeiwijze zich sneller en wordt het systeem daardoor sterker beïnvloed door subtiele draaiing van de stengel. Kleine verschuivingen stapelen zich vervolgens tijdens de groei op en leiden uiteindelijk tot duidelijke afwijkingen in het fyllotactische patroon. Deze bevindingen suggereren dat PLT-eiwitten fungeren als een mechanisme dat helpt om de robuustheid van de patroonvorming van bladeren en bloemen te behouden terwijl de plant groeit.” 

De inzichten uit Arabidopsis vormden de basis voor een tweede vervolgonderzoek, nu in komkommer, een belangrijk teeltgewas met een andere groeiwijze. De centrale vraag was of PLT-eiwitten daar een vergelijkbare rol spelen als in Arabidopsis. Dat blijkt het geval, maar met duidelijke soortspecifieke verschillen.

Kerstens: “Bij gemuteerde komkommerplanten waarin het PLT3/7-eiwit niet goed functioneert, ontstaat in zaden geen normaal groeipunt, maar een afgeplatte top. Pas later in de ontwikkeling vormen zich nieuwe groeipunten. Volgroeide planten vertonen afwijkingen in onder meer de regelmaat van de afstand tussen bladeren, de opbouw van de stengel en de rangschikking van bladeren en bloemen. Het gebruikelijke spiraalpatroon waarbij bladeren steeds onder een specifieke hoek ten opzichte van elkaar aan de stengel verschijnen, verschuift daarbij subtiel richting een tegenoverstaand patroon, waarbij soms twee bladeren als het ware in paren en op dezelfde hoogte tegenover elkaar staan.”

Volgens co-corresponding auteur Viola Willemsen, hoogleraar en leerstoelhouder van het Laboratorium voor Cel- en Ontwikkelingsbiologie, laten de experimenten samen zien dat PLT-eiwitten zowel evolutionair behouden functies hebben - die bij álle planten hetzelfde werken - en tegelijk soortspecifieke rollen vervullen in de organisatie van plantengroei. “Fyllotaxis blijkt niet alleen af te hangen van waar nieuwe organen ontstaan, maar ook van hoe snel een plant groeit en hoe het weefsel zich fysiek gedraagt.”

De studies zijn volgens Willemsen ook een voorbeeld bij uitstek van het belang van fundamenteel onderzoek: “Op termijn kan deze kennis bijdragen aan veredeling doordat zij inzicht geeft in hoe stabiele groeipatronen tot stand komen en hoe gevoelig die zijn voor verstoringen. Dat helpt veredelaars om plantarchitectuur niet alleen te optimaliseren voor bijvoorbeeld maximale groei, maar ook voor robuustheid onder wisselende omstandigheden. Maar we moeten wel waken voor een té snelle focus op toepassing. Zonder goed begrip van de onderliggende biologie van planten weet je niet aan welke knoppen je kunt draaien.”