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 VWO | 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 nicotine-producerende 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 nicotineaanmaak 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
Biologie | Afweer VWO | Artikel Hoe overleeft een plant in zijn omgeving
goed van pas komt bij de zaadproductie, en die steeds schaarser wordt in de bodem door
het opkomen van concurrerende planten.
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 VWO | Artikel Hoe overleeft een plant in zijn omgeving