Waarom zit de ene plant onder de trips, terwijl de andere nauwelijks vatbaar lijkt? Langzamerhand komt er meer zicht op de rol die inhoudsstoffen spelen bij de weerbaarheid en welke stoffen het meest bijdragen. Nuttige informatie voor veredelaars, maar ook met teeltmaatregelen zijn de gehaltes te verhogen.
[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]
Er zijn wel 200.000 secundaire metabolieten bekend in planten. Dat zijn stoffen die niet direct gerelateerd zijn aan groei, ontwikkeling of voortplanting. Bekende categorieën zijn alkaloïden (zoals cafeïne, nicotine en cocaïne) en flavonoïden. De stoffen zijn bijvoorbeeld verantwoordelijk voor smaak, gezondheid (of giftigheid) en kleur van de gewassen. Van vele duizenden is de functie in de plant helemaal niet bekend. Maar een flink aantal is betrokken bij de afweer tegen ziekten en plagen. De vatbaarheid van tabaksplanten bijvoorbeeld hangt nauw samen met het gehalte aan nicotine.
Daarnaast is duidelijk dat de natuurlijke variatie aan gehaltes inhoudsstoffen groot is. Hangt de weerbaarheid dan samen met concentratie van die stoffen? En welke stoffen tikken daarbij het meeste door?
Het zijn vragen die tot voor kort niet te beantwoorden waren. Er bestaan heel goede technieken om gehaltes van stoffen in een plant te bepalen, maar dan moet duidelijk zijn naar welke stof je zoekt. En wanneer je niet weet waar de weerbaarheid op stoelt, weet je ook niet welke van die duizenden stoffen je zou moeten meten.
Test op gevoeligheid
Door Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is dit veranderd (zie kader). Bij deze techniek hoef je vooraf niets te weten over de inhoudsstoffen.
De methode om te achterhalen op welke stoffen de weerbaarheid berust, heet eco-metabolomics (naast NMR kunnen overigens nog andere methoden worden ingezet). Het gaat als volgt. Eerst worden verschillende rassen of verwante planten (bijvoorbeeld tomaten en hun wilde varianten) getest op hun gevoeligheid voor een plaag of ziekteverwekker. Bij onderzoek van het Biologie Instituut van Universiteit Leiden (zie kader) is daarbij steeds trips als plaag genomen. Sommige tomatenrassen bleken heel vatbaar, maar wilde varianten zoals Solanum pennellii juist niet. Dit is een gunstige situatie, want zo kun je een vatbaar ras met een ongevoelige soort vergelijken.
Analyse met NMR laat vervolgens de stoffen zien die in de planten zitten: in de vorm van duizenden pieken in een grafiek. Een groot deel daarvan is identiek bij de vatbare en de gevoelige planten, maar een klein deel verschilt. Meestal gaat het niet om andere stoffen, maar om de concentratie: in de resistente planten zit meer.
Samenspel van stoffen
Vervolgens worden de gevonden stoffen getest op levende trips. Als de insecten bij die test doodgaan of geen eitjes meer leggen, weet je zeker dat de gevonden stof betrokken is bij de resistentie. Overigens gaat het bij weerbaarheid van planten in het algemeen om een samenspel van meerdere stoffen.
Behalve tomaat zijn ook chrysant, gladiool, peen en een wilde Senecio in het onderzoek betrokken. Bij al deze gewassen werden kandidaat-afweerstoffen gevonden en verder getest op levende trips. Het gaat vaak om alkaloïden, fenolen, terpenen en flavonoïden. Veel van deze stoffen werken tegen meerdere plagen en kunnen ook schimmels en bacteriën onderdrukken. Uit het onderzoek blijkt dat de gehaltes gedurende de dag kunnen variëren.
Vaak wordt gezegd dat cultuurgewassen zwakker zijn dan hun wilde soortgenoten. Voor tomaat gaat dit zeker op (zie grafiek), maar algemeen is dit niet: wilde peensoorten bijvoorbeeld zijn niet resistenter dan cultuursoorten. Tijdens het veredelingsproces kan de productie van relevante secundaire metabolieten wel als eigenschap verdwenen zijn, omdat de veredelaar de nadruk legde op opbrengst, uiterlijk en smaak en minder op resistentie. Verder kan het ten koste gaan van de groei en opbrengst als de plant veel investeert in metabolieten. Ook kan veredeling op smaak leiden tot minder metabolieten, omdat veel van deze stoffen bitter smaken.
Relevante afweerstoffen
Nu het chemische gewasbeschermingspakket inkrimpt en de consumentenvoorkeuren veranderen, zijn de inzichten uit eco-metabolomics zeer welkom. De toepasbaarheid ligt op drie terreinen: de veredeling, geïnduceerde resistentie en externe toepassing van stoffen.
Resistentieveredeling is erg gebaat bij kennis over relevante afweerstoffen. Een belangrijk hulpmiddel bij moderne veredeling zijn ‘merkers’: kleine karakteristieke stukjes DNA die aangeven of een bepaalde eigenschap aanwezig is. Je moet dus merkers zien te vinden die samenhangen met de productie van afweerstoffen. Bij tomaat, waar een goed zicht is op het genoom (het hele pakket genen), is dat wel te doen. Maar veel siergewassen zijn niet diploïd (twee sets genen), maar multiploïd. In die situatie is werken met merkers erg lastig.
Daarom is het de vraag of er ‘chemische merkers’ te vinden zijn: dat zijn stoffen die samenhangen met een verhoogde weerbaarheid. Als de betreffende merkerstof aanwezig is, duidt dat op een hogere weerbaarheid; die hoeft dan niet alleen met de merkerstof samen te hangen, maar kan ook op meerdere stoffen stoelen.
Chlorogeenzuur
Het Leidse Biologie Instituut heeft in een project met de vier Nederlandse chrysantenveredelaars tachtig chrysantenrassen getoetst. Daaruit zijn twee chemische merkers gerold: één daarvan is chlorogeenzuur, de andere kan om concurrentietechnische redenen nog niet worden genoemd. Ook is er een voorspellend model opgesteld. De veredelaars waren verrast dat het al zo goed lukte weerbaarheid tegen trips en ook tegen mineervlieg te voorspellen. Het model kent overigens nog een forse foutmarge en moet verder worden aangescherpt.
Behalve chlorogeenzuur zijn waarschijnlijk nog wel andere fenolzuren in het spel. Maar als je alleen het gehalte daarvan wil achterhalen (als merkerstof), heb je in feite geen NMR-techniek nodig. Dan zou het ook met HPLC (high performance liquid chromatography) of TLC (dunnelaagchromatografie) kunnen. Dat zijn minder ingewikkelde technieken. Het ideaal zou een snelle testkit zijn.
Geïnduceerde resistentie
De tweede toepassingsmogelijkheid heet geïnduceerde resistentie. Bij rassen die in staat zijn de relevante afweerstoffen te maken, kun je de gehaltes wellicht verhogen door maatregelen. Dat zou kunnen met specifieke lichtkleuren of met bacteriën.
Van UV-licht is bekend dat het de gehaltes aan fenolen en flavonoïden stimuleert. Die zijn betrokken bij de bescherming tegen UV-licht, maar ook relevant voor de afweer. Het onderzoek met rood licht bij Wageningen University & Research in Bleiswijk om de weerbaarheid tegen schimmels te verhogen, kan in dezelfde lijn worden gezien. Waarschijnlijk is ook hier verhoging van gehaltes aan afweerstoffen in het spel.
Verdediging tegen insecten
Een andere methode is om gebruik te maken van bacteriën. Normaal trekt een plant die aangevallen wordt door bacteriën een verdedigingslinie op, die de salicylzuurroute heet. Er komen allerlei processen op gang, onder andere de vorming van afweerstoffen. Er is echter een bacterie die de plant voor de gek houdt, namelijk Pseudomonas syringae. Deze maakt zelf de stof coronatine, die erg lijkt op jasmonzuur. En die laatste stof staat centraal in de jasmonzuurroute, een andere verdedigingslinie van de plant: namelijk die tegen insecten.
De plant denkt nu dat hij wordt aangevallen door een insect en gaat afweerstoffen maken tegen insecten. Zo kan je met deze bacterie de weerbaarheid tegen trips verhogen. Er is echter een belangrijk bezwaar: deze Pseudomonas is zelf een verwekker van ziekten die bekend staan als bacteriekanker. In heel lage concentraties bouwt wel de weerbaarheid tegen trips op zonder schade van de bacterie. Het principe werkt; fine-tuning is nog zeker nodig.
Overigens dringt zich dan de vraag op waarom je het gewas dan niet gewoon behandelt met coronatine. Dat is echter een erg dure methode.
Weerbaarheidsstoffen
Daarmee komen we bij het derde toepassingsgebied: externe toepassing van weerbaarheidsstoffen. Zeker bij jonge planten zou dat mogelijkheden geven. Jonge planten maken nog nauwelijks secundaire metabolieten en zijn daarom erg kwetsbaar. Toepassing in zaadcoatings, stekdippings of gewoon bespuitingen zijn mogelijke methoden. Dit heeft echter nog veel haken en ogen. Als deze stoffen op de gangbare markten voor chemicaliën moeten worden gekocht zijn ze erg duur. Bovendien is het niet uitgesloten dat ze voor deze toepassingsgebieden een duur toelatingstraject moeten doorlopen.
Nuclear Magnetic Resonance
Nuclear Magnetic Resonance (NMR, kernspinresonantie) is een van de technieken om te bepalen of een stof aanwezig is. Op zich is de techniek niet supergevoelig: een stof in een heel lage concentratie kun je gemakkelijk missen. Maar NMR heeft wel een heel groot voordeel: je hoeft vooraf niet te weten waar je naar zoekt en je kunt in één stap aanwezigheid én hoeveelheid bepalen.
Als protonen (bijvoorbeeld van waterstof of koolstof) in een sterk magnetisch veld komen, gaan ze resoneren. De manier waarop de protonen in een molecuul samen resoneren, is uniek. Een grafiek van de resonanties van de verschillende stoffen in een monster kan worden gebruikt om de stoffen te identificeren. Hier zit de bottleneck van de techniek: er zijn op de hele wereld maar een paar experts die NMR-grafieken goed kunnen interpreteren.
De methode om plantaardige inhoudsstoffen te analyseren is ontwikkeld door de vakgroep Plantenecologie en Fytochemie, onderdeel van het Biologie Instituut van Universiteit Leiden, onder leiding van Kirsten Leiss, medeauteur van dit artikel. De concentratie lag op de relatie tussen trips en waardplanten. Inmiddels werkt ze bij Wageningen University & Research, business unit Glastuinbouw in Bleiswijk en zet het onderzoek daar voort. Tot nu toe is de methode met name met trips (als modelplaag) uitgevoerd, maar de bedoeling is om hem uit te breiden naar ziekten zoals meeldauw.
Samenvatting
Eco-metabolomics is een methode om in kaart te brengen welke secundaire metabolieten een rol spelen bij weerbaarheid tegen ziekten en plagen. De methode is ontwikkeld in Leiden en wordt voortgezet in Bleiswijk. Bij tomaat, chrysant, gladiool en peen zijn zulke stoffen nu in beeld. Nuttige info voor veredelaars, maar ook met teeltmaatregelen is hun gehalte omhoog te brengen.
Tekst: Kirsten Leiss, Ep Heuvelink (Wageningen University & Research) en Tijs Kierkels. Foto’s: Wilma Slegers en Kirsten Leiss.
[/wcm_restrict]