Charles Darwin is niet alleen bekend door de evolutietheorie. De negentiende eeuwse wetenschapper was namelijk de eerste die rond 1880 aantoonde dat planten reageren op de zwaartekracht. Daarna was het nog 125 jaar wachten voordat duidelijk werd dat planten de zwaartekracht ook echt nodig hebben voor een normale groei.
[wcm_nonmember]
Voor het bekijken van deze content heeft u een lidmaatschap nodig, of log in als u al een lidmaatschap heeft.
[/wcm_nonmember]
[wcm_restrict]
Als een potplant omvalt op het tablet, ‘merkt’ hij binnen een paar minuten dat de richting van de zwaartekracht is veranderd. Een aaneenschakeling van interne processen zorgt ervoor dat de scheut zich aanpast aan de nieuwe omstandigheden. Al na twee uur zie je dat hij zich op begint te richten en enkele uren later is de groeirichting helemaal aangepast, zeker bij snel groeiende soorten. Als je de plant dus niet snel rechtopzet, raakt hij misvormd. Binnen in de pot vindt een soortgelijk proces plaats, al zie je dat niet meteen. Ook de wortels reageren op de nieuwe richting van de zwaartekracht.
We vinden het heel logisch dat de groene delen van onze gewassen grofweg omhoog groeien en de wortels omlaag, maar logica heeft hier niets mee te maken. De planten reageren op de richting van omgevingsfactoren. In de eerste plaats zijn dat licht en de zwaartekracht, daarnaast bijvoorbeeld verschillen in bodemvochtigheid of prikkels die de plant in beweging brengen (zoals aanraken of wind). Samen vormen zulke prikkels de plantstructuur.
Geotropie
Zulke reacties worden tropieën genoemd. Een tropie is een groeibeweging als reactie op een externe prikkel, waarbij de prikkel de groeirichting bepaalt. Er bestaan ook bewegingen waarvan de richting niet wordt bepaald door die prikkel. Die worden nastie genoemd. Een voorbeeld is het snelle omlaag klappen van bladeren van het kruidje-roer-me-niet als ze worden aangeraakt. Hoe je ze ook aanraakt, ze vouwen altijd omlaag. Het openen en sluiten van huidmondjes is eveneens een nastie.
De reactie op de zwaartekracht heet geotropie, ook wel gravitropie genoemd (in het Engels gravitropism). De primaire scheut groeit van de zwaartekracht af, de primaire wortel er naar toe. Zijscheuten, bladeren en zijwortels reageren ook op de zwaartekracht, maar maken vaak een hoek met de richting daarvan. Die hoek is genetisch bepaald. Sommige organen, zoals wortelstokken of stolonen, groeien horizontaal, maar dit betekent niet dat ze ongevoelig zijn. Hun reactie heet transversaalgeotropie.
Lange tijd was onduidelijk of planten de zwaartekracht wel echt nodig hebben om hun richting te bepalen. Dat was namelijk niet te onderzoeken. Maar sinds 2004 weten we het zeker. Astronaut André Kuipers liet in dat jaar zaadjes van rucola kiemen in het ruimtestation ISS. Ze bleken onder gewichtsloze omstandigheden stuurloos alle kanten uit te groeien.
Zetmeelkorrels
Om te reageren op het signaal dat van de zwaartekracht uitgaat, moeten er drie dingen gebeuren: de plant moet het opmerken en hij moet erop reageren. En omdat de plaatsen van opmerken en reageren twee verschillende locaties zijn, moet er een signaal van de ene naar de andere plek gaan.
Er zijn twee theorieën over hoe de plant de richting van de zwaartekracht opmerkt. Zowel in het uiterste puntje van de wortel – het wortelmutsje – als in de endodermis (de binnenkant van de schors van de scheut) zitten cellen met zetmeelkorrels die onder invloed van de zwaartekracht omlaag zakken.
Het is zeker dat dit mechanisme een grote rol speelt, want planten zonder zulke zetmeelkorrels (door een mutatie) reageren veel minder. Maar er moet nog een ander mechanisme in het spel zijn (anders zou de reactie in alle gevallen nul zijn bij afwezigheid van zetmeelkorrels). Dat is de vervorming van de celmembraan door de druk van het celvocht. Waar het vocht harder drukt – onder invloed van de zwaartekracht – is de vervorming groter. Overigens is nog onduidelijk welke sensor vervolgens merkt dat de zetmeelkorrels omlaag zijn gezakt of dat de celmembraan is vervormd.
Celstrekking
Na de signalering komt een reeks aan processen op gang waarbij het plantenhormoon auxine en ook de calciumconcentratie een grote rol spelen. Uiteindelijk zorgt de gradiënt in de concentratie van auxine ervoor dat de boodschap aankomt in de celstrekkingszone.
Door dit signaal gaan de cellen in de wortel op een verschillende manier strekken. Die aan de bovenkant strekken harder en die aan de onderkant langzamer, waardoor de wortel naar beneden buigt en de zwaartekracht opzoekt. (Voor een uitgebreider artikel over wortelgroei: zie www.onderglas.nl/digitaal, december 2015, pagina 16-17). Zijwortels reageren via soortgelijke mechanismen op een verandering in de richting van de zwaartekracht. Hierover is echter veel minder bekend. Wel is duidelijk dat de hoek waaronder deze zijwortels groeien genetisch is bepaald en dat die hoek mede bepalend kan zijn voor het gemak waarmee een plant aan zijn voedingsstoffen kan komen.
Ook de geotropische reactie van de stengel wordt door de auxine-gradiënt gestuurd. Aan de onderkant van de stengel krijgen de cellen meer auxine, waardoor ze harder gaan groeien. De cellen aan de bovenkant groeien juist langzamer. Het gezamenlijke effect is dat de stengel zich opricht.
Interactie
Er is altijd een interactie tussen geotropie en fototropie (de sturing van de groeirichting door licht). De plant merkt van welke kant het licht komt met de lichtgevoelige pigmenten fototropinen en cryptochromen. Deze reageren op blauw en ultraviolet licht. Scheuten groeien naar het blauwe/ultraviolette licht toe, wortels groeien er vandaan. Overigens is bij de wortelgroei de geotropie van grotere invloed dan de fototropie.
Ook rood licht, dat de plant ‘ziet’ met fytochroom, heeft een invloed. Als de plant eerst rood licht krijgt en twee uur later blauw licht, dan is de reactie sterker dan wanneer hij alleen blauw licht krijgt. Dat wil zeggen dat hij sterker naar het licht toe kromt.
Sommige varens, zoals venushaar, vormen een uitzondering op dit systeem. Hier hebben rood en blauw licht hetzelfde fototropische effect. Dit is waarschijnlijk een aanpassing aan de schaduwomstandigheden waarin deze planten van nature groeien.
Omgevingsfactoren
Zowel geotropie als fototropie drijven op auxine. Bij sommige planten versterkt licht de geotropische respons; dat is bijvoorbeeld het geval bij erwt, sesam en rijst. Bij andere soorten, zoals tomaat, maïs en Arabidopsis vermindert licht juist de zwaartekrachtgevoeligheid. Dit kan gekke effecten geven: in een proef met kiemplanten van Arabidopsis onder rood en verrood licht groeiden de scheuten alle kanten op. Ze leken geen zwaartekracht meer te voelen. Onder wit en blauw licht werd de zwaartekrachtgevoeligheid ook opgeheven, maar groeiden de scheuten wel sterk naar de richting van het licht toe.
Tot slot is er een interactie van geotropie met andere omgevingsfactoren. Als een wilgenbosje lang onder water staat, sturen de bomen hun wortelpunten naar boven om in contact te komen met zuurstofrijkere waterlagen of de lucht. Hier is dan dus sprake van negatieve geotropie.
Samenvatting
Planten hebben de zwaartekracht nodig voor een normale groei. De plant ‘voelt’ van welke kant de zwaartekracht komt met zetmeelkorrels en door vervorming van celmembranen. Dat signaal gaat naar de celstrekkingszones, waar ongelijkmatige groei van onder- en bovenkant de richting van scheut of wortel kan corrigeren. Er is altijd interactie tussen geotropie en fototropie, de groeireactie op de richting van respectievelijk de zwaartekracht en het licht.
Tekst: Ep Heuvelink (Wageningen Universiteit) en Tijs Kierkels. Foto’s: Wilma Slegers.
[/wcm_restrict]