Brandpunt/Shutterstock
“Planten, of ze nu enorm zijn, of microscopisch klein, vormen de basis van al het leven, inclusief wijzelf.” Dit was David Attenborough’s inleiding op The Green Planet, de nieuwste BBC natuurhistorische serie.
In de afgelopen 500 miljoen jaar zijn planten verweven geraakt in elk aspect van ons leven. Planten ondersteunen al het andere leven op aarde vandaag. Ze leveren de zuurstof die mensen inademen, zuiveren de lucht en koelen de temperatuur van de aarde af. Maar zonder water zouden planten niet overleven. Er zijn naar schatting zo’n 500.000 landplantensoorten die oorspronkelijk in watermilieus voorkwamen en zijn voortgekomen uit één enkele voorouder die door het water zweefde.
In ons recente artikel, gepubliceerd in New Phytologist, onderzoeken we op genetisch niveau hoe planten hebben geleerd water te gebruiken en te manipuleren – van de eerste minuscule mosachtige planten die op het land leefden in het Cambrium (ongeveer 500 miljoen jaar geleden) tot de reusachtige bomen die de complexe bosecosystemen van vandaag vormen.
Hoe planten evolueerden
Door meer dan 500 genomen (het DNA van een organisme) te vergelijken, tonen onze resultaten aan dat verschillende delen van de anatomie van planten die betrokken zijn bij het transport van water – poriën (huidmondjes), vaatweefsel, wortels – gekoppeld waren aan verschillende methoden van genenevolutie. Dit is belangrijk omdat het ons vertelt hoe en waarom planten op verschillende momenten in hun geschiedenis zijn geëvolueerd.
De relatie van planten met water is de laatste 500 miljoen jaar drastisch veranderd. De voorouders van landplanten hadden een zeer beperkt vermogen om water te reguleren, maar de afstammelingen van landplanten hebben zich aangepast om in drogere omgevingen te leven. Toen planten voor het eerst het land koloniseerden, hadden zij een nieuwe manier nodig om toegang te krijgen tot voedingsstoffen en water zonder erin ondergedompeld te worden. De volgende uitdaging was om in omvang en gestalte toe te nemen. Uiteindelijk evolueerden planten om in dorre omgevingen, zoals woestijnen, te leven. De evolutie van deze genen was van cruciaal belang om planten in staat te stellen te overleven, maar hoe hielpen zij planten zich eerst aan te passen en vervolgens op het land te gedijen?
Lees meer:
Varens: de kamerplanten die onthullen hoe tropische regenwouden reageren op klimaatverandering
Huidmondjes, de minuscule poriën in het oppervlak van bladeren en stengels, gaan open om de opname van kooldioxide mogelijk te maken en gaan dicht om waterverlies tot een minimum te beperken. Uit onze studie bleek dat de genen die betrokken zijn bij de ontwikkeling van huidmondjes in de eerste landplanten voorkwamen. Dit wijst erop dat de eerste landplanten over de genetische middelen beschikten om huidmondjes te maken, een belangrijke aanpassing aan het leven op het land.
De snelheid waarmee de huidmondjes reageren verschilt per soort. De huidmondjes van een madeliefje sluiten bijvoorbeeld sneller dan die van een varen. Onze studie suggereert dat de huidmondjes van de eerste landplanten wel sloten, maar dat dit vermogen in de loop der tijd versnelde dankzij genverdubbeling naarmate de soorten zich voortplantten. Genverdubbeling leidt tot twee kopieën van een gen, waardoor een van de twee zijn oorspronkelijke functie kan uitvoeren en de andere een nieuwe functie kan ontwikkelen. Met deze nieuwe genen konden de huidmondjes van planten die uit zaden groeien (en zich dus niet via sporen voortplanten) zich sneller sluiten en openen, waardoor ze zich beter aan de milieuomstandigheden konden aanpassen.
Shutterstock
Oude genen en nieuwe trucs
Vaatweefsel is het loodgieterssysteem van een plant, waardoor hij intern water kan vervoeren en in omvang en gestalte kan groeien. Als u ooit de ringen van een omgehakte boom hebt gezien, zijn dit de overblijfselen van de groei van het vaatweefsel.
Wij ontdekten dat vaatweefsel niet evolueerde door nieuwe genen, maar ontstond door genetisch knutselen. Hier werden oude genen omgevormd om nieuwe functies te krijgen. Dit toont aan dat evolutie niet altijd plaatsvindt met nieuwe genen, maar dat oude genen nieuwe trucjes kunnen leren.
Vóór de verhuizing naar het land kwamen planten voor in zoetwater en mariene habitats, zoals de algengroep Spirogyra. Zij dreven en absorbeerden het water om hen heen. De evolutie van wortels stelde planten in staat om toegang te krijgen tot water van dieper in de bodem en zorgde ook voor verankering. Wij vonden dat enkele belangrijke nieuwe genen opdoken in de voorouder van planten die op het land leven en planten met zaden, die overeenkomen met de ontwikkeling van wortelharen en wortels. Dit toont het belang aan van een complex bewortelingssysteem, waardoor oeroude planten toegang kregen tot water dat voorheen niet beschikbaar was.
Door het warme weer en klimaatveranderingen was deze Bulgaarse dam in 2021 bijna leeg.
Minko Peev/Shutterstock
De ontwikkeling van deze kenmerken bij elke belangrijke stap in de geschiedenis van planten benadrukt het belang van water als motor van de plantenevolutie. Onze analyses werpen een nieuw licht op de genetische basis van de vergroening van de planeet en belichten de verschillende methoden van genenevolutie in de diversificatie van het plantenrijk.
Planten voor de toekomst
Dit werk helpt ons niet alleen het verleden te begrijpen, het is ook belangrijk voor de toekomst. Door te begrijpen hoe planten zijn geëvolueerd, kunnen we de beperkende factoren voor hun groei beginnen te begrijpen. Als onderzoekers de functie van deze sleutelgenen kunnen identificeren, kunnen zij een begin maken met het verbeteren van het watergebruik en de weerbaarheid tegen droogte in gewassoorten. Dit is van bijzonder belang voor de voedselzekerheid.
Planten kunnen ook de sleutel zijn tot het oplossen van enkele van de meest dringende problemen waarmee de mensheid wordt geconfronteerd, zoals het verminderen van onze afhankelijkheid van kunstmest, het verbeteren van de duurzaamheid van ons voedsel en het verminderen van onze uitstoot van broeikasgassen.
Door de mechanismen te identificeren die de plantengroei controleren, kunnen onderzoekers beginnen met het ontwikkelen van veerkrachtigere, efficiëntere gewassoorten. Deze gewassen zouden minder ruimte, water en voedingsstoffen nodig hebben en zouden duurzamer en betrouwbaarder zijn. Nu de natuur achteruit gaat, is het van vitaal belang manieren te vinden om harmonieuzer op onze groene planeet te leven.
Alexander Bowles ontvangt financiering van de Leverhulme Trust.
