SOS signalen van planten

SOS-signalen van planten
Planten die last hebben van insectenvraat roepen om hulp. Ze communiceren met
chemische signalen; zo trekken ze de natuurlijke vijanden van hun belager aan. Tot nu
toe ziet bijna iedereen die driehoeksrelatie tussen plant, plantenetend insect en
insecteneter over het hoofd.
Een bonenplant krijgt op een kwade dag bezoek van bladluizen. De luizen doen zich
tegoed aan de bladeren en beschadigen de plant aanzienlijk. Enkele uren later verschijnt
een aantal sluipwespen, de natuurlijke vijanden van bladluizen. Ze leggen hun eieren in
de bladluizen, die er op termijn aan sterven. Daarmee verlossen ze de plant van zijn
plaaggeesten. Toeval?
Een plant kan niet weglopen voor gevaar – hij zit in de aarde geworteld. Toch zijn
planten overvloedig op onze planeet aanwezig. Blijkbaar lijden ze geen kwijnend bestaan.
Hun leven en óverleven danken ze aan dieren.
Op het eerste gezicht klinkt dat vreemd. De overleving van een plant hangt immers
grotendeels af van zijn bescherming tegen dierlijke vraat, door giftige stoffen,
smaakvergallers of stekels. Niettemin ontkomt geen enkele plant aan insecten. Altijd is
er minstens één insectensoort die door de verdediging heen breekt en zich specialiseert
in het vinden en consumeren van die ene plantensoort.
Verdediging
Sommige insecten eten planten. Andere insecten eten insecten. Telkens zijn vijand en
slachtoffer verwikkeld in een aanval-verdedigingsspel. Biologen beschouwden het spel
tussen insectenetende en plantenetende insecten lange tijd als iets waaraan de plant niet
deelneemt.
In de jaren tachtig ontdekten ze echter dat de plant een bondgenootschap kan sluiten
met de vijand van zijn belager. Daarmee bleek dat planten twee vormen van verdediging
hebben, een directe en een indirecte. Directe verdediging richt zich rechtstreeks op de
planteneter. Indirecte verdediging vergroot de effectiviteit van de vijanden van de
planteneters, volgens het principe ‘de vijand van je vijand is je vriend’.
Indirecte verdediging
De natuur heeft planten toegerust met diverse manieren van indirecte verdediging. Een
eerste strategie is het aanbieden van geschikte schuilplaatsen, waardoor insecteneters de
plant als woonplaats kiezen. In de opgezwollen stekels van de acaciaboom bijvoorbeeld,
wachten mieren op eetbare planteneters.
Een plant kan insecteneters ook lokken met voedsel zoals stuifmeel of suikerhoudende
uitscheidingen. Bij een derde manier van indirecte verdediging helpt de plant
insecteneters om de planteneters te vinden. Dit kan de plant doen door, nadat hij is
aangevallen, geurstoffen als een soort SOS-signalen uit te zenden. De plant verspreidt
informatie; hij communiceert.
Informatie
Informatie is een bijzonder verschijnsel. Je kunt het niet eten, je gaat er niet dood van
en toch is het van groot belang om te kunnen overleven. De rol van – chemische –
informatie in wisselwerkingen tussen plant, planteneter en insecteneter kent veel
overeenkomsten met de functie van informatie in de menselijke samenleving. Je kunt er
van alles mee uithalen. Je kunt eerlijke informatie verspreiden, maar ook misleidende
informatie, of je kunt informatie van anderen afluisteren. Wat dat betreft lijken planten
en dieren op mensen.
Planteninformatie staat ter beschikking van buurplanten, planteneters die op zoek zijn
naar een voedselplant, concurrenten van de insecteneter en vijanden van de
insecteneter. Stuk voor stuk kunnen ze de signalen gebruiken of misbruiken.
Biologie | Afweer VWO | Artikel Aspirine heelt ook planten
Een onderzoeker die de functie en de voor- en nadelen van de informatie wil begrijpen,
heeft geen gemakkelijke opdracht. Hij moet alle wisselwerkingen waarbij de
planteninformatie een rol speelt, ophelderen.
De analyse van wisselwerkingen tussen plant, planteneter en insecteneter is het begin
van de analyse van een omvangrijk informatienetwerk.
Netwerk
Wie de complexe netwerken van relaties tussen de organismen uit een ecosysteem wil
ontrafelen, brengt gewoonlijk een voedselweb in kaart. Een dergelijk schema voegt alle
voedselrelaties uit het ecosysteem samen. Het toont de interactie tussen bijvoorbeeld
een plant en een planteneter of tussen een planteneter en zijn vijand. De uitkomst van
deze wisselwerkingen hangt af van de acties van aanvaller en verdediger.
In tegenstelling tot een informatienetwerk, houdt een voedselweb geen rekening met
indirecte wisselwerkingen. Toch kunnen juist díe de uitkomst van directe wisselwerkingen
bepalen. Als een insecteneter veel planteneters opeet, zal de voedselplant van die
planteneters minder vraat kennen. Natuurlijk is de analyse van informatienetwerken
gecompliceerder dan de analyse van voedselnetwerken. Vaak is een stapsgewijze aanpak
vereist, waarbij de kennis uit eenvoudige netwerken dient voor de analyse van
ingewikkeldere informatienetwerken.
Chemische verbindingen
Planten vormen een rijke bron van chemische verbindingen. Er zijn meer dan 100.000
plantenstoffen bekend die de plant niet nodig heeft voor groei en ontwikkeling en
onderzoekers ontdekken dagelijks nieuwe verbindingen. Planten zijn gespecialiseerde
chemische fabrieken. Insecten, zowel de planteneters als de insecteneters, leven dus in
een chemische wereld. Die chemische wereld is sterk veranderlijk, zowel in ruimte als in
tijd.
Een insect eet van een tabaksplant. De tabaksplant maakt meer nicotine aan. Het insect
sterft aan vergiftiging. Het is oud nieuws dat de chemische samenstelling van planten
kan veranderen als reactie op vraat. Met een giftige stof valt de plant zijn belager aan.
Deze directe verdediging gebruikt een nieuwe stof of een verhoogde productie van een
stof die de plant al eerder aanmaakte.
Een nieuwer inzicht is dat een gewijzigd geurprofiel van planten ook effect kan hebben op
insecteneters, als onderdeel van de indirecte verdediging. Dat is ondertussen bewezen
voor meer dan twintig plantensoorten in twaalf families. Deze planten maken in reactie
op vraatschade geurstoffen die de vijanden van de plantenetende insecten als een soort
lijfwachten aantrekken.
Voor insectenetende insecten is de informatie die de plant uitzendt belangrijk. Het insect
zou natuurlijk kunnen proberen om zijn prooi rechtstreeks op te sporen. Hoewel
rechtstreekse informatie betrouwbaarder is, is ze vaak moeilijk te vinden.
Een prooi zal er alles aan doen om zich voor zijn vijanden te verstoppen. Ze is bovendien
klein en zal dus sowieso niet veel signalen uitzenden. De veel grotere plant produceert
meer informatie. Deze informatie kan ook nog eens heel specifiek zijn. Soms vertelt de
plant bijvoorbeeld wat voor soort planteneter de vraatschade veroorzaakt.
Niet alle plantensoorten reageren op dezelfde manier. Er vallen twee extremen te
onderscheiden. Het ene type planten maakt na vraatschade nieuwe verbindingen, die
vervolgens het geurprofiel domineren.
Ze maken deze geurstoffen niet na (mechanische) schade door bijvoorbeeld harde wind,
hagel of landbouwwerktuigen. Het andere plantentype zendt na vraatschade een
onveranderd geurprofiel uit, maar zendt deze geur na schade in veel grotere
hoeveelheden uit. Hoewel in beide gevallen van een actief proces sprake lijkt te zijn,
bieden de planten in de twee categorieën zeer verschillende informatie aan.
Biologie | Afweer VWO | Artikel Aspirine heelt ook planten
Als de geur verandert, heeft een insect het waarschijnlijk gemakkelijker om een
onbeschadigde of mechanisch beschadigde plant te onderscheiden van een plant met
vraatschade.
Met een micropipet verzamelt een onderzoeker speeksel van de rups van
het kleine koolwitje om het nadien te analyseren. Het speeksel van de rups
bevat een stof die de plantenreactie uitlokt.
(bron: M. Dicke)
Signaaloverdracht
Als een insect van een plant eet, komt er speeksel in de wond. Dit speeksel, dat mogelijk
voor een voorvertering van het voedsel zorgt, bevat een stof die de plantenreactie
uitlokt.
Enkele uren na aanvreten komt in de plant een lokale productie van insecteneterrecruterende geurstoffen op gang. Het is geen passief proces zoals het vrijkomen van
stoffen door het openbreken van cellen. Waarschijnlijk is er een opeenvolging van
signaaloverdrachten bij betrokken. De keten van signalen leidt tot de aanmaak van
enzymen die meehelpen om de geurstoffen te produceren. Het plantenhormoon
jasmonzuur speelt een rol in deze keten.
Niet alleen de plek van beschadiging produceert een nieuwe of opgedreven hoeveelheid
geur. De hele plant kan reageren. In dat laatste geval gaat een signaal van de
aangetaste bladeren naar de onaangetaste bladeren en brengt ook daar de productie van
geurstoffen op gang. Dit signaal volgt de sapstroom van een plant. Wie de
signaalmoleculen wil identificeren die specifiek zijn voor indirecte verdediging, kan de
sapstroom aftappen.
Het aftappen van de sapstroom om de signaalmoleculen te
verzamelen waarmee een aangevreten blad de rest van de plant
alarmeert.
(bron: M. Dicke)
Biologen zijn nog maar pas bezig met de opheldering van de signaaloverdrachtketen die
een plant bij indirecte verdediging volgt. Er lijken raakvlakken te zijn met de interne
communicatie bij directe verdediging, vooral voor gevallen waarbij vraatschade
betrokken is. De zandraket, het favoriete plantje van genetici, is een modelplant voor
verder onderzoek.
Er zijn diverse varianten beschikbaar die één van de signaalmoleculen niet kunnen
produceren. Reageren deze zandraketmutanten anders op insectenvraat? Is het
antwoord op deze vraag ja, dan speelt het uitgeschakelde molecuul een rol bij de
geurproductie.
Variatie
Informatie is bij uitstek geschikt voor het spelen van spelletjes. In de geurinteractie
tussen planten en insecteneters is variatie een centraal kenmerk.
Veel variatie ligt voor de hand. Om te beginnen reageren niet alle plantensoorten
identiek op een bepaalde planteneter. Daarnaast is er ook individuele variatie.
Biologie | Afweer VWO | Artikel Aspirine heelt ook planten
De reactie van planten kan afhankelijk zijn van de soort planteneter die de plant
beschadigt, of van het erfelijk materiaal van de plant. Op het eerste gezicht lijken de
verschillen in de geurbouquetten klein, maar de verschillen bevatten voor de
insecteneters essentiële informatie: namelijk over de aanwezigheid van een wel of niet
geschikte gastheer.
Naast variatie aan de bron van de informatie, de planten, is er variatie in de reactie van
de insecteneters. Ook bij hen is variatie tussen de soorten vanzelfsprekend.
Twee soorten vijanden van planteneters verschillen in hun reactie op dezelfde informatie.
De reactie van individuele insecteneters kan afhankelijk zijn van hun ervaring met
plantengeuren in combinatie met een succesvol vinden van een slachtoffer. Net als de
honden van Pavlov vertonen sluipwespen bijvoorbeeld een fantastisch vermogen om een
ervaring (leggen van een ei in een gastheer) te associëren met de geur die om de
gastheer hangt.
Uit experimenten blijkt dat sluipwespen op deze manier zelfs onnatuurlijke
geurbouquetten kunnen leren. Ook de conditie van een dier, bijvoorbeeld hoe hongerig
het is en of het specifieke voedingsstoffen nodig heeft, leidt tot variatie. Informatie over
de aanwezigheid van een bepaalde inferieure prooisoort kan leiden tot het zoeken van
die prooi onder ongunstige omstandigheden, terwijl onder gunstige voedselomstandigheden de informatie van deze inferieure prooi geen zoekreactie opwekt.
Gedragsexperiment: Roofmijten hebben een sterke
voorkeur voor de geuren van de planten met
spintschade. In een experiment met 40 roofmijten in
een Y-vormige reukmeter, kiezen 32 tot 36 van de
roofmijten voor de geur van de aangetaste planten.
Foto 1:Twee kasspintmijtvrouwtjes (ca. 0,8 mm) en
een eitje op een boneplant. De spintmijten eten de
inhoud van de bladgroenhoudende cellen: de plant
krijgt witte plekken. Foto 2: Volwassen vrouwtje van
de roofmijt Phytoseiulus persimilis, een natuurlijke
vijand van de kasspintmijt. (bron: M. Dicke)
Gedragsonderzoek
Gedragsonderzoek is tijdrovend maar belangrijk. Het
vergelijken van geurprofielen van diverse planten
alléén is echter onvoldoende. Het insect is nodig om
te kunnen besluiten of de chemische verschillen in
geurbouquetten een biologische betekenis hebben.
Een werkwijze die uitsluitend gebaseerd is op
chemische analyse, gaat er van uit dat de apparatuur
even gevoelig is als het insect.
Kleine componenten van een geurmengsel kunnen
echter een groot effect hebben op het gedrag van
een insect. Insecten zijn veel gevoeliger dan onze
meetapparatuur. Verschillen die ons heel klein lijken,
kunnen voor insecten van groot belang zijn. Het is
daarom essentieel om ook gedragsonderzoek te
doen.
Planten recruteren de vijanden van planteneters als een soort lijfwachten. Niet alle
planten van een soort doen dat even sterk. Deze twee waarnemingen openen de weg
naar toepassingen voor biologische bestrijding in de landbouw en de bloementeelt.
Centraal staat dat de communicatie tussen plant en insecteneter kan leiden tot een
afname van het aantal plaaginsecten.
Biologie | Afweer VWO | Artikel Aspirine heelt ook planten
Het is zaak die informatie-overdracht zo succesvol mogelijk te laten verlopen.
Dit betekent dat zowel de productie door de plant als de reactie van de insecteneter
optimaal moet zijn.
Biologische bestrijding
Boeren en tuinders die roofmijten en sluipwespen inzetten voor biologische bestrijding,
zouden de arbeidsomstandigheden voor die dieren moeten optimaliseren. De selectie van
een landbouwras gebeurt nu vooral op de kwaliteit van het product en eventueel op de
weerstand van het ras tegen ziekten en plagen.
Tot nu toe hield vrijwel niemand rekening met de invloed van het gewas op biologische
bestrijders. De ene plant is beter geschikt voor biologische bestrijding dan de andere.
‘Harde schreeuwers’ lijken beter dan ‘fluisteraars’.
Op hun beurt zijn producenten van biologische bestrijdingsorganismen er bij gebaat dat
hun insecten zo goed mogelijk werk afleveren. Het is dus van groot belang dat hun
dieren zo goed mogelijk reageren op de SOS-signalen van planten. Het fundamentele
onderzoek naar variatie in de reactie op de plantengeuren heeft laten zien dat deze
reactie kan verdwijnen door een tot op dit moment onbekende ziekte.
Wetenschappers zoeken momenteel de beste en snelste methode te om ‘harde
schreeuwers’ te onderscheiden van ‘fluisteraars’. Ze proberen ook uit of ze fluisteraars
ertoe kunnen aanzetten om schreeuwers te worden. Daarvoor is fundamentele kennis
van de plantenreactie essentieel. Ook om voorbereid te zijn op de praktijkvragen in de
verdere toekomst is fundamenteel onderzoek nodig. Zonder fundamentele kennis bloedt
het toegepaste onderzoek dood.
Tinbergen
De Nederlandse etholoog en Nobelprijswinnaar Niko Tinbergen (1907-1988)
onderscheidde vier vragen bij de bestudering van een biologisch fenomeen. Die vragen
betreffen de functie (waarom?), het mechanisme (hoe?), de afstamming en de
ontwikkeling. Ook in de chemische ecologie, de studie van de relaties tussen organismen
en hun omgeving waarbij chemische stoffen een rol spelen, zijn deze vragen van
toepassing.
De functionele benadering binnen de chemische ecologie stelt zich vragen als ‘waarom
produceert de plant een SOS-signaal en niet een giftige stof die de planteneter doodt?’,
‘waarom reageren natuurlijke vijanden van planteneters op de SOS-signalen en niet op
signalen van hun slachtoffers zelf?’, of ‘waarom produceren sommige planten geheel
nieuwe geurstoffen in reactie op vraatschade en produceren anderen meer van
hetzelfde?’.
In de mechanistische benadering staan heel andere vragen centraal; bijvoorbeeld ‘hoe
maakt de plant de geurstoffen?’, ‘hoe snel vindt de productie plaats?’, ‘hoe lang gaat de
productie door?’, ‘hoe herkennen insecten de geurstoffen?’, ‘hoe reageren insecten op de
geurstoffen?’
De afstamming speelt bijvoorbeeld een rol bij de vraag waarom sommige planten geheel
nieuwe geurstoffen maken en andere meer van hetzelfde. De ontwikkeling van een
individu tenslotte, is belangrijk omdat er in de ontwikkeling van de plant stadia zijn die
meer of minder verdediging behoeven en stadia die meer of minder tot verdediging in
staat zijn.
Chemische ecologie is bij uitstek een multidisciplinair wetenschapsgebied met chemici,
moleculair biologen, celbiologen, fysiologen, ecologen, en evolutiebiologen. Elke discipline
heeft zijn eigen werkwijze. Ecologen en evolutiebiologen zoeken bijvoorbeeld intensief
naar variatie, als aanknopingspunt van natuurlijke selectie.
Biologie | Afweer VWO | Artikel Aspirine heelt ook planten
De mate van variatie is een indicatie van de selectie in het verleden en de mogelijkheden
voor natuurlijke selectie in de toekomst. In de moleculaire biologie en de chemie
daarentegen is er weinig aandacht voor variatie en het onderzoek is meer deterministisch
van karakter.
Tinbergen benadrukte hoe belangrijk het is om de vier vragen sámen te bestuderen.
Alleen dan ontstaat er een totaalbeeld. De chemische ecologie staat voor de uitdaging
om niet alleen de onderzoeksvragen en hun antwoorden te integreren, maar ook de
werkwijzen van de afzonderlijke disciplines op elkaar af te stemmen.
Transgene aardappelen
Wiie het erfelijk materiaal van een plant verandert, oefent niet alleen invloed uit op de
ontwikkeling van de plant en op de interactie met vijanden van de plant. Een transgene
plant heeft ook een gewijzigd effect op de vijanden van de plantenziekten en
planteneters.
Dat bleek recent in Schotland bij een poging om aardappelplanten resistent te maken
tegen bladluizen. Na erfelijke wijzigingen produceerden de – transgene – planten een
stof uit sneeuwklokjes, lectine. Lectine is giftig voor bladluizen. In vergelijking met
ongewijzigde aardappelplanten liepen de bladluiskolonies op de transgene planten
aanzienlijke terug.
Het verhaal eindigt echter niet bij de bladluizen. Voor een succesvolle bestrijding van
bladluizen zijn ook lieveheersbeestjes noodzakelijk. Tot ieders verrassing zorgden de
bladluizen die op de transgene planten overleefden voor een probleem bij de
lieveheersbeestjes die ervan aten.
Waarschijnlijk geven de bladluizen het giftige lectine aan de lieveheersbeestjes door. De
meeste eieren van die lieveheersbeestjes kwamen niet uit. Áls de eieren uitkwamen,
leefden de lieveheersbeestjes maar half zo lang als hun collega’s die bladluizen op niettransgene aardappelplanten aten. Qua bladluisbestrijding raakten de Schotse
wetenschappers van de regen in de drup.
Literatuur
Dicke M. List-, lust- en lokstoffen. NVOX 1994; 19, 8: 380-383.
Insekten onderzoeken. Een overzicht van vijftig jaar entomologisch onderzoek in
Nederland, eds. Koomen P. e.a.. Amsterdam: Nederlandse Entomologische Vereniging,
Amsterdam, 1995, pag. 92-102 (Minks AK & Dicke M. Insekten en Chemische
Communicatie – Sex, Spionage en Samenwerking.) en pag. 124-135 (Lenteren JC van,
Dicke M & Vet LEM. Milieuveilig beheersen van insektenpopulaties – Nederlandse
entomologen zetten de trend!)
Bron: http://www.kennislink.nl/publicaties/sos-signalen-van-planten
Biologie | Afweer VWO | Artikel Aspirine heelt ook planten