Onderzoekers werpen nieuw licht op honderd jaar oude fundamentele vraag

Onderzoekers van Wageningen University & Research en AMOLF hebben een antwoord gevonden op een meer dan honderd jaar oude fundamentele vraag: hoe weten plantencellen in welke richting ze moeten delen? “Voor het eerst begrijpen we hoe het mechanisme kan werken. Deze kennis over de basis van de plantenontwikkeling kan helpen om de architectuur van plantenweefsels te sturen, belangrijk voor de verbetering van gewassen”, aldus ontwikkelingsbioloog Ben Scheres. Het onderzoek is 20 september gepubliceerd in vaktijdschrift Current Biology. 

Wetenschappers houden zich al meer dan honderd jaar bezig met de regelmatige patronen waarin plantencellen zijn gerangschikt. In alle groeipunten van planten, de plekken waar de stengels en bladeren tevoorschijn komen, en ook in het vroege embryo van de plant, verlopen celdelingen in bepaalde richtingen. Omdat plantencellen omgeven zijn door een celwand die ze delen met hun buurcellen bepalen de delingsrichtingen de regelmatige structuur van de plantenweefsels. Een samenwerking tussen Wageningse celbiologen en ontwikkelingsbiologen levert voor het eerst een verklaring voor de vraag hoe plantencellen ‘weten’ in welke richting ze moeten delen tijdens de vroegste ontwikkelingsstadia.

“Van oudsher zijn er al verschillende meetkundige regels afgeleid die de delingsrichting van plantencellen min of meer voorspellen. Tot nu toe waren die regels niet gekoppeld aan moleculaire processen in de plantencel. Met dit onderzoek gebeurt dat wel,” vertelt Ben Scheres. Samen met theoretisch biofysicus en AMOLF-groepsleider Bela Mulder leidt hij het onderzoeksteam.

Eerder werk – o.a. in de groep van Mulder – laat zien dat microtubuli, eiwitpolymeren die een deel van het celskelet vormen, zich door onderlinge interacties spontaan kunnen ordenen. Promovendus Bandan Chakrabortty ontdekte door middel van geavanceerde computersimulaties dat deze ordening sterk afhangt van de vorm van de cellen. Hij combineerde deze spontane ordening met twee regels die rekening houden met de invloed van het plantengroeihormoon auxine en de invloed van het CLASP eiwit dat microtubuli helpt scherpe bochten te nemen. Hiermee toont hij aan dat de delingspatronen van het vroege embryo het gevolg zijn van moleculaire interacties in de cellen.

State-of-the-art technieken
De onderzoekers hebben de voorspellingen van het model vervolgens getoetst in embryo’s waarin auxine-signalering of CLASP eiwit werd verstoord. Dankzij state-of-the-art technieken voor visualisatie van microtubuli in vroege zaadjes konden de onderzoekers samen ook andere voorspellingen van de computermodellen toetsen. Het beschreven werk is gepubliceerd in een vooraanstaand vaktijdschrift voor biologen, Current Biology.

Mogelijke toepassingen
Met de kennis van de controle van celdelingsrichting kunnen de onderzoekers nu manieren bedenken om de rangschikking van plantencellen aan te passen. Dit kan bijvoorbeeld van invloed zijn op de efficiënte opname van voedingsstoffen en tolerantie tegen droogte. Scheres: “Aan de tekentafel kunnen we in de toekomst bijvoorbeeld wellicht zeggen: ‘aan de binnenkant van een plant willen we een dubbele laag cellen, zodat de plant meer resistent is tegen droogte.’

Links: Arabidopsis-plant met bloemen. In de bestoven bloemen ontwikkelen zich zaden met daarin de embryonale kiemplant. Midden: tweecellig embryo.  Rechts: computersimulatie van de oriëntatie van het celskelet in het embryo (in groen) voorspelt de richting van het delingsvlak (in paars).

Referentie: Bandan Chakrabortty, Viola Willemsen, Thijs de Zeeuw, Che-Yang Liao, Dolf Weijers, Bela Mulder, Ben Scheres, A Plausible Microtubule-Based Mechanism for Cell Division Orientation in Plant Embryogenesis, Current Biology, https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.07.025