3. Hoe overleeft een plant in zijn omgeving

Hoe overleeft een plant in zijn omgeving?
Dit artikel gaat over de strijd om het bestaan van de tabaksplant. Deze plant moet zich op een
aantal niveaus meten met zijn omgeving. Er is allereerst concurrentie met andere planten om
de voedingsstoffen en licht. Daarnaast zijn er grazende dieren die elk groen blaadje lusten, en
tot slot waart er een gespecialiseerde rups rond die afhankelijk is van nicotine. De tabaksplant
wordt als modelplant gebruikt om te onderzoeken hoe concurrentie- en afweermechanismen
werken en op elkaar afgestemd zijn.
Als mens zijn we geneigd het plantenrijk te zien als een vredig tafereeltje. Ieder plantje, van
woudreus tot korstmos, heeft zijn eigen specialisme, zodat in harmonie naast elkaar
voortgeleefd kan worden. Zo gauw we ons wat verdiepen in de praktijk van het plantenleven
blijkt er een harde strijd om het bestaan gaande te zijn.
Een mooi en goed bestudeerd voorbeeld van een strijdende plant is de wilde tabaksplant. In
dit artikel behandel ik een aantal publicaties van de Amerikaan Ian Baldwin. Ian werkt op het
Max Planck Instituut in Jena (Duitsland), en onderzoekt de systemen die een plant gebruikt om
zich te handhaven in zijn ecologische nis. Het leuke is dat hij dat niet alleen in een
laboratorium doet, maar ook in het vrije veld. Zo combineert hij ecologische studies met
hardcore biochemische en moleculair biologische technieken.
Concurrentie
De wilde tabak, Nicotiana attenuata, groeit vooral op stukken grond die net afgebrand zijn. De
zaadjes kiemen pas als ze met roetdeeltjes in contact komen. Daardoor is de wilde tabak als
één van de eersten in staat om te kiemen. Als eenjarige plant maakt hij snel zaad en sterft
dan. Voordeel van deze strategie is dat er weinig concurrentie is, en bovendien zijn er nog
weinig planteneters die schade kunnen aanbrengen.
Wilde tabak, Nicotiana attenuata
De plant probeert nog een paar rondes zaad te produceren. Een deel van het zaad kiemt weer,
maar de omstandigheden worden steeds moeilijker. Volgende generaties hebben te maken
met trager groeiende plantensoorten (meerjarige planten) die beginnen te concurreren om de
voedingsstoffen. Ook komen er meer planteneters en zal de plant zich moeten verweren.
Ondanks de concurrentie en de vraat door planteneters probeert de tabaksplant zich nog een
paar keer voort te planten, en investeert hij in afweermechanismen.
Biologie | Afweer HAVO | Artikel Hoe overleeft een plant in zijn omgeving?
Algemene afweer
De afweer tegen plantenetende dieren die veel verschillende planten lusten (generalisten) is
vrij simpel. De tabaksplant doet dat door nicotine te maken: een giftige stof waar maar weinig
dieren tegen bestand zijn. Voor mensen bijvoorbeeld is een paar milligram nicotine in het eten
al genoeg om dood te gaan. Dat geld ook voor de herbivore grazers (koeien etc.) en rupsen.
Uit ander onderzoek blijkt dat dieren, van koe tot insect, snel doorhebben dat een plant giftig
is, en deze daarna mijden. Tot zover lijkt de tabak dus dit probleem opgelost te hebben: hij
zorgt ervoor vol te zitten met nicotine, zodat de meeste plantenetende dieren hem niet meer
lusten.
Baten en kosten
Baldwin heeft zich afgevraagd hoe lonend het voor de plant is nicotine te maken. Het is
bekend dat tabaksplanten pas nicotine gaan maken nadat ze aangevreten worden, of nadat
planten in de buurt aangevreten worden. Nadeel van die strategie is dat ze wel eens te laat
kunnen zijn met hun afweer: voor nicotine synthese is vrij veel tijd nodig. Soms kan het dan te
laat zijn: een beetje planteneter zal de bovengrondse delen flink beschadigen, of misschien wel
helemaal verorberen. Toch is het kennelijk de moeite waard alleen nicotine te maken als het
nodig is.
Dat komt omdat productie van nicotine voor de plant een zware investering is. Ongeveer 6%
van de beschikbare stikstof, één van de belangrijkste voedingsstoffen van de plant, wordt in
nicotine omgezet. Deze investering heeft rechtstreekse consequenties voor de hoeveelheid
zaad die de plant maakt.
Om dit te onderzoeken heeft Baldwin een onthullend experiment gedaan. Eerst is hij op zoek
gegaan naar paren van jonge tabaksplanten die dicht bij elkaar staan in een pas afgebrand
veld. De ene helft van het paar behandelt hij steeds met een plantenhormoon
(methyljasmonaat), waardoor ze nicotine maken zonder dat ze aangevreten worden. De
andere plant van het paar behandelt hij niet. In de resultaten zien we duidelijk kosten en
baten van het maken van nicotine terug. Als de planten van het paar aangevreten worden
door insecten maakt de behandelde plant meer zaad dan de onbehandelde: dat is logisch want
nicotine heeft de plant beschermd. Als de planten niet aangevreten worden blijken de nicotineproducerende planten veel minder zaad te maken dan de onbehandelde planten.
Kennelijk gaat nicotine maken ten koste van zaad productie. Hieruit blijkt het nut voor de plant
om alleen nicotine te maken als het nodig is: als er geen vraat is zou nicotine-aanmaak de
hoeveelheid zaad onnodig verlagen, en planten die daarin investeren zouden in de strijd om
het bestaan waarschijnlijk afvallen.
Afweer tegen een specialist
De tabaksplant is nog niet van al zijn problemen af door nicotine te produceren. Er is een
gespecialiseerde rups, Manduca sexta, die geen last heeft van nicotine. De Manduca rups is
een tamelijk fors dier (Afbeelding 1), ter grootte van de middelvinger van volwassen mens,
met een stekel aan zijn achterste, en een reusachtige eetlust. Manduca gebruikt de nicotine uit
de tabaksplant om zich te wapenen tegen zijn vijanden: de rups slaat nicotine op in zijn
lichaam, waardoor hij onaantrekkelijk wordt voor bijvoorbeeld vogels.
Wat moet de tabaksplant beginnen tegen zo’n gespecialiseerde vijand? De plant blijkt een
speciaal afweersysteem te hebben, wat geheel is afgestemd op Manduca. Baldwin heeft ook dit
systeem ontrafeld. Hij onderscheidt twee soorten schade die de plant kan hebben:
mechanische verwonding, en het contact met speeksel van de rups. Als de plant in een
experiment wordt verwond door bijvoorbeeld een schaar gaat hij nicotine produceren. Als je
daarbij Manduca-speeksel op een tabaksblad aanbrengt gaat de plant veel minder nicotine
aanmaken. Dit helpt de plant, want deze steekt dan minder kostbare stikstof in een
afweersysteem wat toch niet werkt tegen deze rups: stikstof die goed van pas komt bij de
zaadproductie, en die steeds schaarser wordt in de bodem door het opkomen van
concurrerende planten.
Biologie | Afweer HAVO | Artikel Hoe overleeft een plant in zijn omgeving?
We weten zelfs welke componenten uit het speeksel verantwoordelijk zijn voor dit effect.
Deze stofjes (vetzuur-aminozuur conjugaten) worden waarschijnlijk gemaakt door
darmbacteriën van de rups: bacteriën die hij mogelijk opgelopen heeft bij het eten van tabak.
In ieder geval zorgen deze stofjes uit het speeksel ervoor dat de plant weet dat het Manduca is
die aan hem knabbelt, en niet bijvoorbeeld een koe. De plant kan daarop gepast reageren.
Afb. 1: Manduca is een grote rups
De schreeuw om hulp
Het is duidelijk dat de tabak de strijd met de gespecialiseerde rups niet alleen af kan. Als tabak
met het Manduca-rupsenspeeksel in contact komt gaat hij grote hoeveelheden vluchtige
stoffen maken. Die stoffen vormen een soort “schreeuw om hulp” (cry for help). Op deze
schreeuw komen roofinsecten af. Dit zijn vijanden van Manduca die niet de rups zelf eten,
maar parasiteren op de eitjes van Manduca. Daarmee vermijden ze in contact te komen met
de giftige nicotine.
Baldwin heeft het bouquet (de samenstelling van geurstoffen) van de tabak onderzocht. Het
blijkt te bestaan uit drie typen stoffen. De samenstelling van het bouquet blijkt erg af te
hangen van het type schade dat de plant lijdt. Ten eerste zijn er de zogenaamde green-leave
vluchtige stoffen (hexenol), die vrijkomen na algemene schade. Dergelijke stoffen ruiken we
bijvoorbeeld ook op een pas gemaaid grasveld. Ten tweede is er een aspirine-achtige stof,
methylsalicylaat, die door alle planteneters teweeggebracht wordt. Ten derde zijn er de
terpenoiden (linalool, bergamoteen), die meer specifiek lijken te zijn voor bepaalde insecten.
Het effect van de individuele stoffen uit deze drie categorieën is verschillend. Vooral de
terpenoiden blijken het aantal eieren dat Manduca legt te verminderen. Bovendien maken deze
stoffen de plant erg aantrekkelijk voor de roofinsecten. Bij elkaar opgeteld is het resultaat van
deze stoffen dat 90% minder eieren van Manduca uitkomen.
De tabaksplant kan dus erg veel doen om het de gespecialiseerde rups moeilijk te maken. Als
hij spuugcomponenten aantreft gaat de plant minder nicotine maken, ontmoedigt met
bepaalde stoffen het leggen van eieren, en gebruikt vluchtige stoffen als hulpgeroep om
bondgenoten te vinden in de strijd tegen de rups.
Conclusie
De tabaksplant van Baldwin is een prachtig model, en laat ons zien hoe het er in de vrije
natuur aan toegaat. Het is duidelijk dat de strijd die tabak levert tal van overeenkomsten
vertoont met andere systemen, niet alleen in de vrije natuur, maar ook in kassen, op akkers
en in volkstuinen.
Zo vindt men, naast algemene afweersystemen van planten, steeds meer voorbeelden van
specifieke signalen in de vorm van vluchtige stoffen die planten uitzenden als ze door een
specifiek insect worden belaagd. We kunnen deze systemen proberen te benutten om bepaalde
plagen in toom te houden. Daarnaast kunnen we genieten van de pracht van de strijd om het
bestaan.
Bron: http://www.kennislink.nl/publicaties/hoe-overleeft-een-plant-in-zijn-omgeving
Biologie | Afweer HAVO | Artikel Hoe overleeft een plant in zijn omgeving?