4. 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. 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.
Biologie | Afweer HAVO | Artikel SOS-signalen van planten
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. 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)
Biologie | Afweer HAVO | Artikel SOS-signalen van planten
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 insecteneter-recruterende
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. 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.
Biologie | Afweer HAVO | Artikel SOS-signalen van planten
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 voedsel-omstandigheden 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. 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.
Biologie | Afweer HAVO | Artikel SOS-signalen van planten
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.
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.
Biologie | Afweer HAVO | Artikel SOS-signalen van planten
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 niet-transgene
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 HAVO | Artikel SOS-signalen van planten