Bij beschadiging van planten komen vluchtige stoffen zoals terpenen en 6-koolstofalcoholen, -aldehyden, en -esters vrij. Die zorgen voor het aanzetten van de verdediging van de plant, onder andere door het versturen van Ca²⁺-seintjes naar de rest van de plant. De vrijgekomen vluchtige stoffen zorgen er ook voor dat planten in de directe omgeving hun verdediging aanzetten. Klaar voor een mogelijk op handen zijnde aanval van vraatinsecten.

Maar hoe planten deze vluchtige stoffen waarnemen was tot nu toe onbekend. Om hier achter te komen bouwde onderzoeker Masatsugu Toyota en zijn team van Saitama University in Japan een op maat gemaakt systeem om fluorescerend licht in levende planten te detecteren. Voorafgaand aan het onderzoek was Toyota wel ‘een beetje bezorgd of de plant ook daadwerkelijk de vluchtige stoffen kon ruiken’.

Verrassing

Voor het onderzoek gebruikten de onderzoekers zandraketplanten voorzien van een fluorescerende calciumbiosensor. Op deze manier konden ze wisselende calciumconcentraties in de cel waarnemen. Zodra de onderzoekers deze planten blootstelde aan vluchtige organische stoffen afkomstig van gekneusde of door rupsen aangevreten bladeren lichtte de biosensor op: eerst in de bladeren het dichts bij de bron, daarna ook in bladeren die verder verwijderd waren. ‘Dit was echt een verrassing voor mij’, zegt Toyota.

Vervolgens pluisde de onderzoekers uit welke specifieke stoffen de plant ‘rook’. Hierbij analyseerde de onderzoekers negen vluchtige organische stoffen waarvan bekend is dat ze de plantenverdediging aan kunnen zetten. Van de negen bleek de zandraket er twee, de 6-koolstofaldehyden (Z)-3-hexenal en (E)-3-hexenal, te ‘ruiken’. Stelden de onderzoekers de planten aan deze stoffen bloot, dan lichtte de calciumbiosensor binnen een minuut op en zette de plant de verdedigingsgenen aan.

Bij beschadigde planten reist het Ca²⁺-signaal van de beschadiging naar de rest van de plant. Om uit te zoeken hoever het Ca²⁺-seintje in niet beschadigde planten reist, plaatsten Toyota en zijn team zandraketplanten in een gesloten kamer, waar alleen een blad uitstak. ‘Ruikt’ dit blad (Z)-3-hexenal, dan licht de biosensor op, maar alleen in het uitstekende blad. In niet beschadigde planten is er dus alleen een Ca²⁺-signaal in het weefsel dat (Z)-3-hexenal kan waarnemen .

Huidmondjes

Als laatste bestudeerden de onderzoekers met welke cellen de plant ‘ruikt’. Hiervoor plaatsten ze de biosensor in specifieke cellen: de epidermis- of oppervlakte cellen, de huidmondjes, en de bladmoes- of binnenste cellen van het blad. Blootstelling aan (Z)-3-hexenal resulteerde in een snelle oplichting van de huidmondjes, gevolgd door het bladmoes. Maar verrassend genoeg lichtte de epidermiscellen nauwelijks op.

Om te bevestigen dat de huidmondjes inderdaad de ‘neus’ van de plant zijn, behandelden de onderzoekers de planten met abscisinezuur. Dit sluit de huidmondjes. Na sluiting lichtte de biosensor na blootstelling aan (Z)-3-hexenal veel langzamer op. ‘Dit laat zien dat geopende huidmondjes belangrijk zijn voor de waarneming van vluchtige organische stoffen binnenin het blad’, zegt Toyota.

‘Het mooie van het onderzoek is dat het zo mooi visualiseert’ zegt Rob Schuurink, plantenonderzoeker aan de Universiteit van Amsterdam, die niet bij het onderzoek betrokken was. ‘We wisten wel dat planten op de vluchtige organische stoffen reageren, maar nu zie je het echt gebeuren.’ Dat we nu op weefselniveau kunnen zien wat er gebeurt wanneer planten vluchtige stoffen waarnemen, vindt Schuurink ‘heel spannend’.

Verdund

Toyota voorziet toepassingen in de gewasbescherming. Maar voordat het zover is ‘moeten ze nog wel even laten zien dat het ook in de natuur werkt’, zegt Schuurink. Zo moet nog duidelijk worden of de concentraties die in het onderzoek zijn gebruikt ook van nature voorkomen en of ze tegen de tijd dat ze bij een buurplant aankomen niet te veel verdund zijn.

Voor nu geeft dit onderzoek vooral aanknopingspunten voor verder onderzoek. Zo kun je nog uitzoeken of er bij blootstelling aan een lage concentratie (Z)-3-hexenal er priming plaatsvindt, waarbij het na de eerste blootstelling lijkt alsof er niks gebeurt, maar na een daarop volgende blootstelling wel degelijk een reactie is. Daarnaast staat bij Toyota nog op het programma om de receptoren die het calciumsignaal in gang zetten na binding van (Z)-3-hexenal en (E)-3-hexenal te ontdekken.

Aratani, Y. et al. (2023) Nat. Commun. 14(6236). DOI: 10.1038/s41467-023-41589-9