Rimma Bondarenko/Shutterstock
Heb je wel eens een jetlag gehad? Dat vreselijke gevoel als je van een lange vlucht komt en je lichaam je vertelt dat het tijd is om te gaan slapen, maar de buitenwereld je vertelt dat het tijd is om te ontbijten? Dat zijn de biologische effecten van je innerlijke lichaamsklok, ook wel bekend als je circadiane klok.
Je kunt hier luisteren naar meer artikelen uit The Conversation, ingesproken door Noa.
Planten, schimmels en zelfs sommige bacteriën hebben ook een circadiaan ritme. Hoewel planten niet de neiging hebben om op internationale vluchten te springen, heeft elk levend organisme met een circadiane klok de potentie om een jetlag te krijgen. Dit is meer dan een leuk feitje: we zouden deze informatie kunnen gebruiken om gewassen productiever te maken en voedselzekerheid aan te pakken.
De eerste meldingen van een inwendige lichaamsklok bij planten gaan terug tot het oude Griekenland, toen een scheepskapitein het dagelijks openen en sluiten van de bladeren van een tamarindeboom bestudeerde. De eerste systematische observaties van circadiane ritmes bij planten werden uitgevoerd in de jaren 1700 door de Franse wetenschapper Jean-Jacques d’Ortous de Mairan die het ritmisch openen en sluiten van de bladeren van Mimosa pudica (een plant uit de erwtenfamilie) bestudeerde.
De Mairan merkte op dat deze cycli zelfs aanhielden wanneer de plant zich in constante duisternis bevond. Dit toonde aan dat de bladbewegingen geen reactie waren op veranderingen in de lichtomstandigheden, maar door de plant zelf werden gestuurd. Dit is de definitie van een circadiaan ritme.
De mimosa pudica wordt ook wel de gevoelige plant genoemd.
NOPPHARAT9889/Shutterstock
Hoe planten de tijd vertellen
We weten nu dat deze ritmes worden geregeld door een genetisch netwerk in elke plantencel. Ongeveer 20 genen regelen het circadiane ritme in planten. Deze genen schakelen elkaar aan en uit in een ingewikkeld circuit, waardoor een 24-uurs ritme wordt gegenereerd.
Dit regelcircuit activeert ook andere genen in het plantengenoom. Sommige genen worden geactiveerd bij zonsopgang, gevolgd door genen die later in de ochtend nodig zijn, maar uitgeschakeld tegen de middag. Genen die te maken hebben met fotosynthese worden bijvoorbeeld meestal ’s ochtends geactiveerd om optimaal te profiteren van het daglicht, terwijl genen die te maken hebben met groei en ontwikkeling normaal gesproken ’s nachts actief zijn.
Laboratoriumexperimenten tonen aan dat als een van deze circadiane controlegenen gemuteerd is (wat betekent dat hun genetische volgorde veranderd is zodat ze niet meer goed functioneren), de klok van de plant kan versnellen om een korter ritme te krijgen, vertragen om een lange cyclus te krijgen, of helemaal stopt met functioneren.
Veel mensen denken aan planten als mooi groen. Essentieel voor schone lucht, ja, maar eenvoudige organismen. Een verandering in het onderzoek verandert de manier waarop wetenschappers over planten denken: ze zijn veel complexer en lijken meer op ons dan je zou denken. Dit bloeiende wetenschapsgebied is te prachtig om in één of twee verhalen recht te doen.
Dit artikel maakt deel uit van een serie, Plant Curious, waarin wetenschappelijke onderzoeken worden onderzocht die de manier waarop je naar planten kijkt op de proef stellen.
Planten met gemuteerde circadiane genen hebben niet alleen snellere of langzamere klokken, maar hun vermogen om te fotosynthetiseren, te groeien en zich voort te planten is beschadigd. Een plant met een ontregelde circadiane klok zal onder laboratoriumomstandigheden maar half zo groot worden als een normale plant.
Bijna elk proces dat wetenschappers in planten hebben onderzocht, wordt tot op zekere hoogte gereguleerd door de interne klok. De klok regelt het openen en sluiten van de huidmondjes aan de onderkant van een blad, de gasuitwisseling in de fotosynthese, de groei van scheuten en wortels, de seizoensbloei en de “chemische oorlogsvoering” tussen planten en de dieren die ze eten. Hiervan is sprake wanneer sommige planten chemicaliën produceren die giftig zijn voor dieren wanneer ze die binnenkrijgen.
Hoewel het meeste onderzoek naar het circadiane ritme van planten is gedaan in het laboratorium, is er een toenemende interesse in hoe dit kan worden toegepast op de landbouw om de uitdagingen van de wereldwijde voedselzekerheid aan te gaan.
Klaar voor de toekomst
De opwarming van de aarde verzwakt de gezondheid van de bodem en doodt bestuivers, terwijl extreem weer en oorlog tot de factoren behoren die de voedselprijzen opdrijven. Dit onderzoek kan dus essentieel worden voor onze overleving.
Meer leren over de circadiane klokken van planten zou de opbrengst van gewassen aanzienlijk kunnen verhogen en de timing van de bloei van planten kunnen regelen om ons aan te passen aan de klimaatverandering. Verschillende studies hebben bijvoorbeeld aangetoond dat planten gevoeliger zijn voor herbiciden afhankelijk van het tijdstip waarop ze worden toegepast. Aangezien veel planten vergelijkbare klokken hebben, kunnen we de bevindingen uit het laboratorium toepassen op gewassoorten.
Verschillende studies hebben aangetoond dat natuurlijke veranderingen in klokgenen geassocieerd zijn met doorbraken in de landbouw. Tomaten werden bijvoorbeeld oorspronkelijk gekweekt in Midden-Amerika, waar de daglengte niet veel verandert gedurende het jaar. Toen mensen de gedomesticeerde tomaat op noordelijker breedtegraden gingen verbouwen, selecteerden ze onbedoeld een variëteit met een natuurlijke mutatie die resulteerde in een langzamere klok. Daardoor konden de tomatenplanten beter gebruik maken van de langere zomerdagen en langer fotosynthetiseren.
Planten zijn ongelooflijk complex.
artem evdokimov/Shutterstock
Ook bloeien lentegerst (gezaaid in de lente) en wintergerst (gezaaid in de herfst) op verschillende tijden van het jaar door een genetisch verschil in een gen dat met de circadiane klok samenhangt. Boeren zaaien daarom verschillende genetische variëteiten van hetzelfde gewas in bepaalde seizoenen om de productiviteit te maximaliseren.
Met de ontwikkeling van indoor verticaal kweken is er grote interesse in het begrijpen van de circadiane reacties van planten op licht, zodat verlichtingssystemen kunnen worden ontworpen om de groei te maximaliseren en tegelijkertijd het energieverbruik te verminderen. Dit komt omdat indoor vertical farming volledige controle over de verlichting mogelijk maakt, in tegenstelling tot wanneer we planten buiten of in ons huis kweken. Inzicht in het interne ritme van de plant kan helpen om de plantengroei te optimaliseren, de beste tijd voor water geven te bepalen en aan te geven wanneer meststoffen of andere chemicaliën die in de landbouw worden gebruikt, moeten worden gebruikt.
Planten zijn zoveel complexer (en lijken misschien een beetje meer op ons) dan veel mensen zich realiseren. De afgelopen 25 jaar is er enorm veel onderzoek gedaan naar de genetische controlemechanismen van de circadiane klok. De uitdaging is nu om die kennis toe te passen in de landbouw.
Het is in ons belang om ervoor te zorgen dat we planten op deze manier begrijpen, omdat we die kennis kunnen gebruiken om ons voedsel beter te verbouwen en onze gewassen veerkrachtiger te maken.
Katharine Hubbard werkt niet voor, geeft geen advies over, heeft geen aandelen in of ontvangt geen financiering van een bedrijf of organisatie die baat zou hebben bij dit artikel en heeft geen relevante banden buiten haar academische aanstelling bekendgemaakt.
