Epigenetisch plantgeheugen in de strijd tegen plagen en ziekten - Biowetenschappen & Maatschappij

Geen producten in de winkelwagen.

Arabidopsis is gebruikt voor onderzoek naar epigenetisch plantgeheugen
13 december 2022
normaal verdiepend

Epigenetisch plantgeheugen in de strijd tegen plagen en ziekten

De auteurs

Planten ontwikkelen overlevingsstrategieën tegen ziekten en plagen en slaan die ervaring op in hun epigenetisch geheugen. Ook generaties na hen kunnen daar nog profijt van hebben.

Planten kunnen zichzelf niet verplaatsten en vertrouwen op een verscheidenheid aan strategieën om te overleven in hun omgeving die continu verandert. Een belangrijke parameter in deze overlevingsstrategieën is het vermogen om informatie van eerdere gebeurtenissen, zoals stress veroorzaakt door vraat van insecten of infectie van ziekteverwekkers, op te slaan en te gebruiken om een sterkere afweerreactie op te wekken bij toekomstige aanvallen.

Langdurig geheugen planten

Omdat planten niet rechtstreeks met hun nakomelingen kunnen communiceren, gebruiken ze alternatieve manieren om hun nakomelingen te informeren over bedreigingen in hun omgeving. Zo is de laatste jaren gebleken dat herhaalde blootstelling aan plagen en ziekten leidt tot langdurige veranderingen op het niveau van het chromatine: het DNA, RNA en eiwitten in de celkern. Deze epigenetische veranderingen geven de plant en zijn nakomelingen een langdurig geheugen, dat deels kan worden overgedragen naar volgende generaties, en bieden zo bescherming tegen plagen en ziekten.

Verworven immuniteit van de plant

De eerste verdedigingslinie tegen plagen en ziekten is het aangeboren afweersysteem van de plant. De informatie van dit systeem ligt vast in het DNA, waardoor planten hun verdedigingsmechanismen snel kunnen activeren na het waarnemen van specifieke alarmsignalen, zoals plantvreemde stoffen van ziekteverwekkers of stoffen die vrijkomen bij beschadiging van de plantencel. Behalve deze eerste aangeboren verdedigingslinie kunnen planten ook een langdurig afweergeheugen opbouwen, ‘priming’ genaamd, dat hen in staat stelt een snellere en sterkere afweerreactie te ontwikkelen bij een tweede aanval. Deze aangeleerde afweer is vergelijkbaar met de verworven immuniteit bij de mens na vaccinatie of blootstelling aan een ziekteverwekker, alleen gaat het hier om totaal verschillende mechanismen. Planten hebben immers geen afweercellen (witte bloedcellen) zoals de mens en vertrouwen op fysiologische en epigenetische modificaties voor hun verworven immuniteit en priming. Met name epigenetische verandering in het chromatine van de cel kunnen lang aanhouden en zelfs gedeeltelijk worden doorgegeven aan het nageslacht. Dat kan de mens dan weer niet.

Omdat priming kosten met zich meebrengt, neemt het afweergeheugen geleidelijk weer af als stress door infectie of vraat zich over langere perioden niet meer voordoet. Blijft de stressprikkel echter gedurende de hele levenscyclus van de plant terugkomen dan kan priming, afhankelijk van de sterkte van die prikkel, worden overgedragen op volgende generaties. Het afweergeheugen biedt hen dan betere bescherming tegen dezelfde aanvallers waaraan de ouderplant was blootgesteld.

Epigenetische weerstand

Het bestaan van een epigenetisch afweergeheugen bij planten is recent pas ontdekt. Ruim tien jaar geleden meldden vier onderzoeksgroepen onafhankelijk van elkaar dat nakomelingen van de zandraket (Arabidopsis) en tabaksplanten die aan ziekteverwekkers en rupsen waren blootgesteld, een verhoogde weerstand vertonen die was gebaseerd op afweerpriming. Rond dezelfde tijd meldde een andere groep dat priming van geselecteerde veranderingen van de histoneiwitten.

Deze onderzoeken samen laten niet alleen zien dat afweerpriming een epigenetische basis heeft,
maar ook een ecologische functie heeft door aan te tonen dat planten epigenetische mechanismen
gebruiken om informatie over hun omgeving langdurig op te slaan, en hun nakomelingen te informeren over ziekten en plagen. De afgelopen jaren is meer bewijs aan het licht gekomen dat stress in de omgeving van de plant epigenetische veranderingen veroorzaakt op het niveau van histonmodificaties, histonvarianten, DNA-methylering en niet-coderende RNA’s. Deze mechanismen werken samen om een langdurige priming van afweergenen te bewerkstelligen.

Het bodemmicrobioom: een externe schijf van het afweergeheugen?

Hoewel het strikt genomen niet als een epigenetische reactie wordt beschouwd, kunnen planten het bodemmicrobioom gebruiken als een externe plek voor afweergeheugen. Zieke planten kunnen de chemische stoffen die zij via hun wortels uitscheiden veranderen om ziekte-onderdrukkende bodemmicroben op te roepen en te selecteren. Als deze aanpassing van de bodemsamenstelling sterk genoeg is, kan een langdurige ‘bodemerfenis’ worden achtergelaten waarvan planten van de volgende generatie kunnen profiteren.

Bij sommige plantensoorten, zoals maïs en de zandraket, zijn stoffen (met name secundaire
metabolieten) geïdentificeerd en gekarakteriseerd die dit externe afweergeheugen aansturen. Bovendien is aangetoond dat epigenetische mechanismen op het niveau van DNA-methylering de uitscheiding van deze chemische stoffen door de wortels aanpassen, zodat een verband kan worden gelegd tussen de interne en externe harde geheugenschijf van de plant.

Aanpassing van planten aan stress door ziekten en plagen omvatten zowel interne epigenetische wijzigingen (donkerblauwe pijlen) als externe wijzigingen van het bodemmicrobioom (lichtblauwe pijlen). Beide strategieën bieden een vorm van verworven afweergeheugen, waardoor de plant en zijn nageslacht hun afweersysteem kunnen versterken en weerstand tegen aanvallers verbeteren. © Stichting BWM

Verder onderzoek zal moeten uitwijzen hoe planten hun epigenetische gereedschapskist precies
gebruiken om deze evenwichtsoefening – het in stand houden van het interne afweersysteem
tegen vijandige organismen en het rekruteren van andere organismen om bij hun verdediging te
helpen – te optimaliseren.

Dit artikel is een verkorte versie van het stuk in het cahier Epigenetica.

Over de auteur

Jurriaan Ton
Hoogleraar omgevingssignalering bij planten, School of Biosciences, University of Sheffield, UK.
Header © Shutterstock
Abonnement

Mis nooit meer een publicatie

Met een jaarabonnement mis je niets meer! Wil je altijd op de hoogte blijven van de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van de biowetenschappen? Neem dan een abonnement! Hiermee ontvang je een korting van 40% ten opzichte van de prijs in de webwinkel. Daarnaast betaal je geen verzendkosten bij een abonnement. Het abonnement gaat in per 1 januari van het nieuwe kalenderjaar. Je kunt te allen tijde opzeggen, waarna je alleen nog de cahiers ontvangt die je hebt betaald.

Jaarabonnement
Drie keer per jaar krijg je onze boeken automatisch thuisgestuurd. Zo bespaar je flink op de losse verkoopprijs en blijf je altijd op de hoogte.
Bekijk abonnement

Nooit meer iets missen?

Wil je altijd op de hoogte blijven van nieuwe publicaties, dossiers en lesmaterialen? Schrijf je dan in voor onze nieuwsbrief. Wij sturen je maandelijks een overzicht van alle nieuwe content.

Schrijf je in