De uitdagingen van de toekomst

In Maart 2023 publiceerde het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) hun zesde rapport. Zoals verwacht schepte dit rapport geen positief beeld van de huidige klimaat situatie. Extreme weerfenomenen als hitte en droogte komen wereldwijd vaker voor. Indien we onze uitstoot van broeikasgassen nu drastisch verlagen, zal het nog bijna 30 jaar duren voordat de temperatuur op wereldschaal stabiliseert. We zullen met zen allen nog een lange tijd de gevolgen moeten dragen. Gelukkig hebben we aan het VIB-UGent Center voor Planten Systeembiologie enkele jonge, slimme koppen. Deze onderzoekers, aan het begin van hun carrière, maken er hun missie van oplossingen te bieden voor de uitdagingen van de komende decennia. Laten we hen in de kijker zetten.  

Planten en warmtestress

Sojabonen en tarwe vinden we vaak terug op ons bord. Denk aan pasta, brood, yoghurt en veel meer. Vanwege stijgende temperaturen ondervinden de regio’s waar deze gewassen normaal gecultiveerd worden steeds meer moeilijkheden. We hebben al kunnen vaststellen dat ernstige veranderingen in de klimaatomstandigheden vaak leiden tot zwakkere planten. Boeren proberen hier momenteel antwoord op te bieden door hun zaaiperiodes te verschuiven en aan de hand van verscheidene technische ingrepen proberen ze de hitte te omzeilen en een potentieel lagere opbrengst te voorkomen.  

In de functional phosphoproteomics onderzoeksgroep van Ive De Smet proberen wetenschappers te achterhalen hoe gewassen reageren op stress en wat de onderliggende moleculaire mechanismen zijn. Doctoraatstudent Cássio Lima en postdoctoraal onderzoeker Tingting Zhu vergelijken verschillende variëteiten van soja en tarwe om na te gaan hoe deze planten omgaan met een veranderend klimaat. De mechanismen voor aanpassing aan warmtestress zijn complex en omvatten een hoop biochemische en fysiologische reacties. Zo heeft temperatuur een invloed op de structuur en de fosforylatie van eiwitten. Fosforylatie is een proces waarbij enzymen geactiveerd (of gedeactiveerd) worden. Warmtestress kan dus een cruciale impact hebben op de functie van eiwitten in de cel.

Het is ons doel om de informatie van al deze variëteiten te verzamelen en lessen te leren uit hoe planten reageren op stress. Dit gaat ons helpen begrijpen welke exacte factoren bijdragen tot specifieke manieren van stress tolerantie - Cássio Lima

Het doel van het onderzoek van Cássio en Tingting bestaat erin om de fosforylatie in kaart te brengen wanneer de plant hoge temperaturen ervaart, na te gaan welke proteïnen een rol spelen en uit te klaren hoe dit allemaal bijdraagt aan een succesvolle aanpassing aan de hogere temperaturen. Door verschillende variëteiten sojabonen en tarwe te bestuderen, proberen de onderzoekers de verschillende manieren waarop planten reageren op warmte te omschrijven. In hun onderzoek hopen ze hitte tolerantie in deze gewassen beter te begrijpen, en deze kennis te gebruiken om planten te ontwikkelen die beter bestand zijn tegen klimaatverandering.

Planten en droogtestress

Hoewel warmte en droogte vaak aan elkaar gelinkt worden, zijn het toch twee totaal andere fysische fenomenen. Dit betekent dat ze ook andere fysiologische reacties zullen uitlokken in planten. Om inzicht te verwerven in de vernuftige mechanismen die planten hebben ontwikkeld om zich te wapenen tegen droogte, analyseert Tom Van Hautegem de bladeren van maïs onder milde droogte en rehydratie. Hiervoor gebruikt hij een automatisch fenotypering platform en geavanceerde microscopische analyse. ​ 

Tom is een bioloog die als postdoctoraal onderzoeker werkt in de onderzoeksgroep van Systems Biology of Yield, met aan het hoofd Dirk Inzé en Hilde Nelissen. De focus van de groep ligt in gedetailleerde analyses van het genetische netwerk dat een rol speelt bij bladgroei in maïs, en functionele analyses bij verstoring van deze genen. Dit wordt in zowel het labo als het veld onderzocht. Het is de missie van Tom om bij te dragen aan de ontwikkeling van klimaatresistente gewassen en een duurzame landbouw.

De resultaten van het onderzoek tonen dat de zone van de celdeling - die de groeitijd van het maïsblad bepaalt - een cruciale rol speelt bij het herstel na rehydratie. De plant kan de expressie van bepaalde groei-regulerende genen in de celdeling zone in het maïsblad aanpassen. Hierdoor kan de plant de periode van groei verlengen, en zichzelf volledig laten herstellen na een periode van droogte. Met behulp van genoombewerking probeert Tom nieuwe moleculen die een rol spelen bij droogte tolerantie in kaart te brengen. “De kennis die we uit dit project vergaren zal onze pogingen om gewassen te stabiliseren in een veranderend klimaat versterken” zegt Tom. 

Planten en biobrandstof

Volgens het laatste rapport van het IPCC bestaat er geen twijfel over dat menselijke activiteit een belangrijke factor is in de klimaatverandering. Ons gebruik van fossiele brandstoffen levert een grote bijdrage door het vrijkomen van broeikasgassen in de atmosfeer. Waar onze drie onderzoekers hierboven vooral proberen om oplossingen te vinden voor de gevolgen van klimaatverandering, probeert Netter De Ridder van de onderzoeksgroep rond Bio-energy and Bio-aromatics van professor Wout Boerjan net de oorzaken aan te pakken. “Onze onderzoeksgroep focust op de omvorming van een economie die gebaseerd is op fossiele brandstof naar een economie gebasseerd op biologische materialen” zegt Nette.

We richten ons specifiek op genoombewerking om planten te kunnen gebruiken als grondstof voor een bio-economie - Nette De Ridder

Nette is een industrieel ingenieur in de biochemie, en is het derde jaar van haar doctoraat gestart. In haar onderzoek probeert ze via genoombewerking lignine - een cruciaal molecule voor de plantstructuur dat zeer ‘sterk’ is - aan te passen. Een efficiënte vrijstelling van suikers uit planten is de basis voor biobrandstof. Het is echter de sterke lignine die deze efficiënte vrijstelling in de weg staat. Momenteel dient lignine eerst afgebroken te worden om de suikers beschikbaar te maken. Deze afbraak gebeurt aan de hand van hoge concentraties aan chemische producten en hoge temperaturen. Nette probeert dankzij genoombewerking de compositie van lignine in de plant zo aan te passen, dat de suikers veel eenvoudiger vrijgesteld kunnen worden. Dit maakt, in het licht van een bio-economie, deze planten economisch rendabeler en het proces milieuvriendelijker. Haar onderzoek doet Nette op populieren, aangezien deze bomen goed groeien op bodems die niet geschikt zijn voor landbouw. ​ 

Planten en.......koudestress?

Dit voelt misschien wat tegenstrijdig aan. Bij een veranderend klimaat denken we vooral aan de opwarming van de aarde. Waarom doen we dan onderzoek naar stress bij koude temperaturen? Enerzijds leidt klimaatverandering tot extremer en onvoorspelbaar weer. Denk aan plotse intense regen of onverwachte koudeprikken. Abnormaal koud weer tijdens de groeiperiode van planten wordt wereldwijd reeds vaker waargenomen. Anderzijds zijn zomers merkbaar warmer en droger. Hierdoor probeert men om nieuwe planten, die vroeger niet in onze regio’s gedijden, toch te introduceren. Deze nieuwe gewassen – denk bijvoorbeeld aan het Soja in 1,000 tuinen project van het VIB – lijden echter nog steeds onder de lagere temperaturen. Voornamelijk door koudere klimaatcondities in de herfst en de lente, hebben nieuw geïntroduceerde soorten het moeilijk in vroege groeifase en de latere oogstfase. ​ 

Qian Ma is een postdoctoraal onderzoeker bij de Brassinosteroids onderzoeksgroep van professor Jenny Russinova. Deze groep bestudeert plantenhormonen en de rol die ze spelen in de groei en het aanpassingsvermogen van planten aan veranderende condities. Qian ontdekte recent een nieuwe koude-beschermende stof. Hij probeert nu de hele cascade aan chemische reacties te achterhalen die een rol spelen in de koudetolerantie respons van de plant. Eenmaal al de moleculaire componenten in kaart gebracht zijn, weet Qian welke genen het doel kunnen zijn voor genoombewerking. Het is zijn visie dat de kennis uit zijn onderzoek zal helpen bij het ontwikkelen van een strategie om via CRISPR-Cas de koude tolerantie van sojabonen te verhogen. ​ 

Steve Bers

Science Communications Expert, VIB

---

steve.bers@vib.be

Over het VIB-UGent Centrum voor Planten Systeembiologie

Het VIB-UGent Centrum voor Planten Systeembiologie wil inzicht krijgen in hoe planten groeien en reageren op de omgeving. Hun wetenschappers bestuderen hoe bladeren en wortels worden gevormd, welke micro-organismen er op en rond de plant leven en welke stoffen planten aanmaken. Ze brengen de genetische verscheidenheid van het plantenrijk in kaart. Deze kennis kan leiden tot duurzame innovaties in landbouw en voeding.