InfoNu.nl > Wetenschap > Natuurverschijnselen > Slimme en gevoelige planten

Slimme en gevoelige planten

In 1880 verschijnt een boek waarin planten niet de passieve wezens zijn waarvoor ze door velen worden aangezien. In zijn boek over de kracht van beweging bij planten toont de oudere Charles Darwin een passie voor de zintuiglijke kwaliteiten van planten. Hij ontfermt zich over fototropisme (beweging naar het licht) en andere beweeglijke activiteiten in het plantenrijk. Samen met zijn zoon Francis wijdt Charles zich aan talrijke experimenten die vooral wortel en kiemwortel betreffen. Hij gaat ervan uit dat wortels niet enkel planten voeden, maar tevens zintuiglijke organen zijn om licht, vochtigheid, zwaartekracht en druk te bepalen en op basis daarvan een gunstig traject voor de wortelgroei uit te stippelen. Zijn aandacht gaat vooral uit naar het uiteinde van de kiemwortel Darwin stelt voor om een plant te bekijken als een omgekeerd dier, met ondergrondse zintuigen, een ondergronds "brein" en bovengrondse seksuele organen.

Meten en integreren van milieu-parameters

Hedendaags onderzoek toont aan dat het uiteinde van een wortel op een helling actief, als een kruipende worm, op zoek gaat naar een zwakke plek in het substraat om zich optimaal te kunnen vestigen. Tenminste wanneer er een wortelkapje (calyptra) aanwezig is. Zonder wortelkapje groeien wortels in een rechte lijn, zonder de helling te betasten (Baluska et al. 2009). Recente ontwikkelingen in de moleculaire biologie, celbiologie, fysiologie en ecologie bevestigen het beeld van planten als gevoelige en communicatieve wezens, gekarakteriseerd door een actief, probleemoplossend gedrag. Zo wordt hun zintuiglijke rol bevestigd door wetenschappers die stellen dat plantenwortels in staat zijn om een 20-tal milieuparameters te meten, waaronder bodemvolume, stikstofgehalte, fosforgehalte, zoutgehalte en de aanwezigheid van gifstoffen. Ook chemische signalen van naburige planten en micro-organismen worden opgevangen. Bovendien kunnen wortels nagaan of naburige wortels tot dezelfde plant, dezelfde soort of een andere soort behoren. Na de meting volgt een integratie van de waarnemingen opdat planten zich zouden kunnen aanpassen aan hun omgeving. Zo is er sprake van een zintuiglijke perceptie die leidt tot aangepast gedrag en het nemen van "intelligente" beslissingen. Een dergelijke visie op planten wordt echter nog altijd betwist. Niettemin vertonen zowel de organen van planten als dieren beweging en tastzin, zij het doorgaans op een andere tijdschaal en dat laatste is voor sommigen blijkbaar moeilijk te vatten (Pollan 2013).

Chemische SOS-wolken

Een concreet voorbeeld van perceptie, communicatie, aanpassing en sociaal gedrag in de plantenwereld betreft de relatie tussen acaciabomen (Acacia div. sp.) en een soort antilopen: de grote koedoes (Tragelaphus strepsiceros). In 1991 bericht een wetenschappelijk artikel over de plotse sterfte van 3000 koedoes in Zuid-Afrikaanse wildparken (Van Hoven 1991). Omdat de dode dieren geen tekenen van verwonding of parasieten vertonen, wordt hun (pens)maaginhoud geanalyseerd. Die blijkt dodelijke concentraties aan looistoffen te bevatten. Koedoes zijn nochtans gewend aan deze chemicaliën omdat ze zich vaak tevreden moeten stellen met blaadjes van acacia's die, zoals de meeste bomen, looistoffen produceren wanneer ze worden aangevreten. Als gevolg van een droge winterperiode is het foerageergedrag van koedoes in bepaalde wildparken echter zo intens, dat de aangetaste bomen overgaan tot het uitstoten van etheen (= ethyleen). In parken met lage dichtheden koedoes is er niets aan de hand. Etheen is een vluchtige organische verbinding (volatile organic compound =VOC) die als plantenhormoon onder meer in staat is om vruchten te doen rijpen. De uitstoot van etheen door acacia's reikt tot tientallen meters ver en werkt als een soort chemische SOS-wolk, die de productie van looistoffen door naburige, niet aangevreten soortgenoten binnen de vijf tot tien minuten (!) doet opdrijven tot dodelijke concentraties.

Sociaal en communicatief gedrag

Bepaalde bomen beperken zich dus niet tot zelfverdediging, maar vertonen een zekere vorm van sociaal en communicatief gedrag, met behulp van signaalmoleculen. Slim genoeg beperken giraffen zich doorgaans tot het belagen van niet aangetaste acacia's tegen de wind in, zodat ze het effect van de etheenwolken vermijden (Hughes 1990). Een vergelijkbaar proces in de Verenigde Staten is het uitstoten van vluchtige organische verbindingen (volatile organic compounds = VOC's) door naaldbomen als de draaiden (Pinus contorta) om schorskevers af te weren. Bomen die door deze kevers zijn aangetast blijken tot 20 keer meer VOC's - vooral monoterpenen - uit te stoten in vergelijking met gezonde bomen. Bepaalde onderzoekers brengen deze verhoogde uitstoot in verband met een soort nevel (haze) die de zichtbaarheid beperkt, het klimaat beïnvloedt en de menselijke gezondheid kan schaden (Hardik et al. 2012).

Parasieten als bondgenoten

In 1990 wordt vastgesteld dat maïsplanten terpenen uitstoten wanneer ze worden aangevreten door larven van de katoenuil (Spodoptera littoralis), een mediterrane nachtvlinder die tegenwoordig ook in Afrika en Azië voorkomt. Dergelijke VOC's lokken parasitaire wespen van de soort Cotesia marginiventris. Die leggen vervolgens hun eieren in de larven van de nachtvlinder, waarna de opgroeiende wespenlarven hun gastheren parasiteren. Omdat de geparasiteerde larven minder maïs eten en zich niet kunnen voortplanten kan dit fenomeen de maïsplanten beschermen en leiden tot een verhoogde zaadproductie. Uiteindelijk gaan de vlinderlarven dood. Een gelijkaardig fenomeen speelt zich ondergronds af. Wortelschade door larven van de beruchte maïswortelkever (Diabrotica virgifera) activeert een enzym dat zorgt voor de aanmaak van terpenen die nematoden aantrekken. Ook deze gedragen zich als fatale parasieten, waarbij de keverlarven van binnenuit worden gedood (Degenhardt 2009).

Ondergronds internet van zwamdraden

De wortels van de meeste landplanten hebben contact met zwamdraden (mycelia) van fungi, die de plant mineralen, water en bescherming tegen pathogenen bezorgen in ruil voor suikers. Een verschijnsel dat bekend is als mycorrhiza. Suikers stellen fungi in staat tot het uitbouwen van soms gigantische netwerken van mycelia, die instaan voor een transport van water en voedsel. Kort geleden werd aangetoond dat deze ondergrondse structuren ook kunnen dienen als kanalen voor uitwisseling van informatie tussen "aangekoppelde" planten. Ook wanneer deze tot verschillende soorten behoren (Simard & Dural 2004). Daardoor kunnen bomen en andere planten elkaar relatief snel waarschuwen, zoals in het geval van een aanval door bladluizen. Zo'n bedreiging veroorzaakt de productie van VOC's zoals methylsalicylzuur, waardoor planten bladluizen kunnen afweren en hun parasitoïde vijanden (= dodelijke parasieten) aantrekken. Bij niet door bladluizen aangetaste planten kunnen dergelijke effecten enkel optreden wanneer ze door zwamdraden verbonden zijn met de wel aangetaste. Dit ondergrondse netwerk stelt naburige planten in staat om verdedigingsmechanismen te ontplooien vooraleer er een aanval plaatsvindt. Netwerken van zwamdraden kunnen bijgevolg fungeren als een soort internet dat zowel het gedrag van planteneters als hun vijanden kan beïnvloeden door middel van een snelle en efficiënte communicatie (Babikova et al. 2013). Dezelfde netwerken kunnen ook de vestiging van zaailingen vergemakkelijken (Van Der Heijden 2004 ) en de samenstelling van plantengemeenschappen beïnvloeden (Van Der Heijden & Horton 2009).

Magnetische velden

Planten blijken ook in staat om magnetische velden aan te voelen. Het geomagnetische veld (GMV), dat het gevolg is van turbulentie in de vloeibare metalen buitenste kern van de aarde, is daarom een onvermijdbare milieu-factor voor planten. Het GMV beschermt de aarde tegen schadelijke zonnewinden (solar winds), maar beïnvloedt tevens biologische processen zoals kieming, bloei, fotosynthese en de migratie van vogels. Het GMV verandert in de loop van de evolutie en zorgt daarbij voor stressfactoren die bijgedragen tot soortvorming en uitsterving. De toename van hoge-energiedeeltjes tijdens het omkeren van de polen kan mogelijk zelfs bijdragen tot massaal uitsterven. Aan de andere kant is recent aangetoond dat perioden van normale polariteit - zoals de huidige - overlappen met het verschijnen van de meeste families van bedektzadigen, waartoe de loofbomen behoren. Om onweerlegbaar te bewijzen dat het aanvoelen van magnetische velden een drijvende kracht is voor de evolutie zijn evenwel meer experimenten nodig. Zoals onderzoek naar het effect van "omkeringen" op bepaalde genen van planten. Het verband tussen magnetische velden en talrijke invloeden daarvan op planten staat evenwel buiten kijf (Occhipinti et al. 2014).

Doorgeven van levenservaring

Genetici hebben dikwijls tot hun verbazing vastgesteld dat planten meer genen bezitten dan dieren. In het licht van het voorgaande is dat niet verwonderlijk. Het leven en overleven van planten hangt in belangrijke mate af van talrijke, soms complexe signaalmoleculen en giftige stoffen, die ook wel secundaire metabolieten worden genoemd (in tegenstelling tot de "primaire" vetten, suikers en eiwitten). Het vermogen van planten om signaal- en afweerstoffen te produceren is ten dele erfelijk. Maar er is meer aan de hand. In 1999 deed een team van biologen onder leiding van Ralph Tollrian een opmerkelijke ontdekking. In het befaamde tijdschrift Nature wordt beschreven hoe radijsplanten worden blootgesteld aan hun natuurlijke vijanden. Zoals verwacht, reageren de radijsjes door grotere hoeveelheden van de gifstof glucosinolaat aan te maken. Maar daarbij blijft het niet. Nakomelingen van gestresseerde planten produceren eveneens grotere hoeveelheden gif. Ook zonder belagers in de buurt (Anurag et al. 1999). Dat is voor de meeste evolutiebiologen even slikken. Tijdens het leven aangeleerde eigenschappen via de voortplanting doorgeven aan het nageslacht is volgens het klassieke darwinisme immers onmogelijk. Zoals een violiste wiens kindje als violist ter wereld komt. Dit doet denken aan de ideeën van Jean-Baptiste Lamarck en aan giraffen die een lange nek hebben omdat ze die generatie na generatie verder hebben uitgerekt om bij de hoogste blaadjes van een boom te kunnen komen.

Epigenetische informatie

Vooral inzichten in de moleculaire genetica en de conclusie dat evolutie het gevolg is van toevallige veranderingen in het DNA, die soms een voordeel kunnen opleveren maar niet worden beïnvloed door de omgeving, betekenden de doodsteek voor het lamarckisme. Maar hoe zit het dan met de radijzen van Tollrian? Ondertussen is duidelijk geworden dat het aan- of uitschakelen van de activiteit van genen kan worden doorgegeven aan het nageslacht zonder dat daarbij de DNA-code verandert. De overerfbare positie van bepaalde moleculen rondom het DNA (methylgroepen, nucleosomen) bepalen welke delen actief zijn. Dit heet epigenetische informatie. Deze evolueert sneller dan het meer stabiele DNA en kan worden beïnvloed door de omgeving waarin een plant of dier opgroeit. Op die manier kan overerfbare informatie veranderen in een reactie op de omgeving en de heersende selectieve druk. Zo kunnen genen die verantwoordelijk zijn voor de productie van glucosinolaat in radijsjes worden aangezet en doorgegeven aan een volgende generatie. (Verstrepen 2008). Lamarck gniffelt ongetwijfeld vanuit zijn graf.
© 2015 - 2019 Miradal2, het auteursrecht (tenzij anders vermeld) van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
Organische en anorganische chemieBinnen de chemie (scheikunde) houdt men zich bezig met allerlei chemische verbindingen. Deze verbindingen bestaan uit ve…
Wat is ecologieWat is ecologieEcologie is één van de grootste deelgebieden van de biologie. Wat is ecologie en hoe deel je het op in verschillende niv…
De koolstofkringloopDe koolstofkringloopHet leven op aarde wordt in stand gehouden en gekenmerkt door een aantal biochemische cycli. De koolstofkringloop is wel…
Tweelingenonderzoek en epigeneticaTweelingenonderzoek en epigeneticaZijn eigenschappen van een persoon vooral te wijten aan de genen van het DNA? Of worden mensen vooral wie ze zijn door a…
Kamille, botanisch en farmacologisch bekekenEchte kamille staat zonder meer in de top tien van de meest gebruikte medicinale planten. De verwante Roomse kamille met…
Bronnen en referenties
  • Anurag AA, Laforsch C & Tollrian R (1999) Transgenerational induction of defences in animals and plants. Nature 401: 60-63
  • Babikova Z, Gilbert L, Bruce TJA, Birkett M, John C. Caulfield JC, Christine Woodcock C, Pickett JA & Johnson D (2013) Underground signals carried through common mycelial networks warn neighbouring plants of aphid attack. Ecology Letters 16: 835–843
  • Baluška F, Mancuso S. (2009a) Plant neurobiology: From stimulus perception to adaptive behavior of plants, via integrated chemical and electrical signaling. Plant Signaling and Behavior 4: 475–476
  • Baluška F, Stefano M, Volkmann D & Barlow PW (2009b) The ‘root-brain’ hypothesis of Charles and Francis Darwin. Revival after more than 125 years. Plant Signaling and Behavior 4: 1121-1127
  • Brenner ED, Stahlberg R, Mancuso S, Vivanco J, Baluška F & Van Volkenburgh E (2006) Plant neurobiology: an integrated view of plant signaling. Trends in Plant Science 11:413–419
  • Calvo Garzón F, Keijzer F (2009) Cognition in plants. In: Baluška F (ed.) Plant-Environment Interactions from Behavioural Perspective. Springer Verlag (Berlin): 247–266
  • Darwin C (1880) The Power of Movements in Plants. John Murray
  • Degenhardt J (2009) Indirect Defense Responses to Herbivory in Grasses. Plant Physiology 149: 96-102
  • Hardik A, Tyson Atkins PT, Russo RS, Brown AW, Sive B, Hallar AG & Hartz KEH (2012) Effect of Bark Beetle Infestation on Secondary Organic Aerosol Precursor Emissions. Environmental Science & Technology 46 (11): 5696-5703
  • Hughes S (1990) Antelope activate the acacia's alarm system. New Scientist 127:19
  • Kessler A & Baldwin IT (2001) Defensive function of herbivore-induced plant volatile emissions in nature. Science 291: 2141–2144.
  • Occhipinti A, De Santis A & Maffei ME (2014). Magnetoreception: an unavoidable step for plant evolution? Trends in Plant Science 19: 1–4
  • Pollan M (2013) The Intelligent Plant. Scientists debate a new way of understanding flora. The New Yorker December 23
  • Simard SW & Durall DM (2004). Mycorrhizal networks: a review of their extent, function, and importance. Canadian Journal of Botany 82: 1140–1165
  • Trewavas A (2007) Plant neurobiology. All metaphors have value. Trends in Plant Science 12: 231–233
  • Van Der Heijden MGA (2004). Arbuscular mycorrhizal fungi as support systems for seedling establishment in grassland. Ecology Letters 7: 293–303
  • Van Der Heijden MGA & Horton TR (2009). Socialism in soil? The importance of mycorrhizal fungal networks for facilitation in natural ecosystems. Journal of Ecology 97: 1139–1150
  • Van Hoven W (1991) Mortalities in kudu (Tragelaphus strepsiceros) populations related to chemical defense in trees. Journal of African Zoology 105: 141-145
  • Verstrepen KJ (2008) De evolutie dobbelt niet. Natuurwetenschap & Techniek 76 (12): 76-79

Reageer op het artikel "Slimme en gevoelige planten"

Plaats als eerste een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Ik ga akkoord met de privacyverklaring en ben bekend met de inhoud hiervan
Infoteur: Miradal2
Gepubliceerd: 05-02-2015
Rubriek: Wetenschap
Subrubriek: Natuurverschijnselen
Bronnen en referenties: 19
Schrijf mee!