Werkstuk Biologie Planten signalen

Transcriptie

1 Werkstuk Biologie Planten signalen Werkstuk door een scholier 2650 woorden 19 augustus ,2 10 keer beoordeeld Vak Biologie SOS-signalen van planten 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 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 Pagina 1 van 6

2 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. 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 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 Pagina 2 van 6

3 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. Signaaloverdracht 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. 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. 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 Pagina 3 van 6

4 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 voedsel-omstandigheden de informatie van deze inferieure prooi geen zoekreactie opwekt. Gedragsonderzoek 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. 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 informatieoverdracht 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 Pagina 4 van 6

5 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. Interessant tussendoortje: Tinbergen De Nederlandse etholoog en Nobelprijswinnaar Niko Tinbergen ( ) 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. Interessant tussendoortje: Transgene aardappelen Wie 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. Pagina 5 van 6

6 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: Insekten onderzoeken. Een overzicht van vijftig jaar entomologisch onderzoek in Nederland, eds. Koomen P. e.a.. Amsterdam: Nederlandse Entomologische Vereniging, Amsterdam, 1995, pag (Minks AK & Dicke M. Insekten en Chemische Communicatie - Sex, Spionage en Samenwerking.) en pag (Lenteren JC van, Dicke M & Vet LEM. Milieuveilig beheersen van insektenpopulaties - Nederlandse entomologen zetten de trend!) Pagina 6 van 6