Ik heb de tijd? Sameer Mishra / Shutterstock

Iedereen die door verschillende tijdzones heeft gereisd en heeft geleden jetlag zullen begrijpen hoe krachtig onze biologische klokken zijn. In feite heeft elke cel in het menselijk lichaam zijn eigen moleculaire klok, die in staat is een dagelijkse stijging en daling te genereren van het aantal eiwitten dat het lichaam produceert gedurende een 24-uurcyclus. Het brein bevat een hoofdklok die de rest van het lichaam synchroon houdt lichtsignalen uit de ogen om op de hoogte te blijven van de omgeving.

Planten hebben vergelijkbare circadiane ritmes die hen helpen het tijdstip van de dag te bepalen en planten voorbereiden op fotosynthese vóór het ochtendgloren, hittebeschermingsmechanismen inschakelen vóór het heetste deel van de dag, en het produceren van nectar wanneer bestuivers het meest waarschijnlijk zullen bezoeken. En net als bij mensen lijkt elke cel in de plant zijn eigen klok te hebben.

Onze ogen en hersenen vertrouwen op zonlicht om de activiteit in het lichaam te coördineren op basis van het tijdstip van de dag. Yomogi1 / Shutterstock

Maar in tegenstelling tot mensen hebben planten geen hersenen om hun klokken gesynchroniseerd te houden. Hoe coördineren planten hun cellulaire ritmes? Onze nieuw onderzoek laat zien dat alle cellen in de plant gedeeltelijk coördineren via iets dat lokale zelforganisatie wordt genoemd. Dit zijn in feite de plantencellen die hun timing communiceren met naburige cellen, op een vergelijkbare manier als hoe scholen vis en zwermen vogels coördineer hun bewegingen door interactie met hun buren.

Vorig onderzoek ontdekte dat de tijd van de klok in verschillende delen van een plant anders is. Deze verschillen kunnen worden gedetecteerd door het meten van de timing van de dagelijkse pieken in de productie van klokeiwitten in de verschillende organen. Deze klokeiwitten genereren de 24-uur oscillaties in biologische processen.

Klok-eiwitten activeren bijvoorbeeld de productie van andere eiwitten die verantwoordelijk zijn voor fotosynthese in bladeren vlak voor zonsopgang. We besloten de klok in alle belangrijke organen van de plant te onderzoeken om ons te helpen begrijpen hoe planten hun timing coördineren om de hele plant in harmonie te houden.

Wat maakt planten tikkend

We vonden dat in thale tuinkers (Arabidopsis thaliana) zaailingen, het aantal klokeiwitten piekt op verschillende tijdstippen in elk orgaan. Organen, zoals bladeren, wortels en stengels, ontvangen verschillende signalen van hun lokale micro-omgeving, zoals licht en temperatuur, en gebruiken deze informatie om onafhankelijk hun eigen tempo te bepalen.

Als ritmes in verschillende organen niet synchroon lopen, hebben planten dan last van een soort interne jetlag? Hoewel de individuele klokken in verschillende organen op verschillende tijdstippen piekten, leidde dit niet tot volledige chaos. Verrassend, begonnen cellen ruimtelijke golfpatronen te vormen, waarbij buurcellen in de tijd iets achter elkaar blijven. Het lijkt een beetje op een stadion of een "Mexicaanse" golf van sportfans die achter de mensen naast hen staan ​​om een ​​golfachtige beweging door de menigte te creëren.

Plantencellen communiceren tussen hun buren om de tijd te coördineren. James Locke, auteur verstrekt

Ons werk laat zien dat deze golven voortkomen uit de verschillen tussen organen wanneer cellen beginnen te communiceren. Wanneer het aantal klok-eiwitten in één cel een piek bereikt, communiceert de cel dit naar zijn langzamere buren, die de leiding van de eerste cel volgen en ook meer klok-eiwitten produceren. Deze cellen doen dan hetzelfde met hun buren, enzovoort. Dergelijke patronen kunnen elders in de natuur worden waargenomen. Sommige soorten vuurvliegjes vormen ruimtelijke golfpatronen terwijl ze hun flitsen synchroniseren met hun buren.

Lokale besluitvorming door cellen, gecombineerd met signalering tussen hen, zou kunnen zijn hoe planten beslissingen nemen zonder hersenen. Hiermee kunnen cellen in verschillende delen van de plant verschillende beslissingen nemen over hoe ze kunnen groeien. Cellen in de scheut en wortel kunnen de groei afzonderlijk optimaliseren voor hun lokale omstandigheden. De scheut kan buigen naar waar het licht onbelemmerd is en de wortels kunnen groeien naar water of meer voedingsrijke grond. Het kan ook planten toelaten het verlies van organen overleven door schade of wordt opgegeten door een herbivoor.

Dit zou kunnen verklaren hoe planten hun groei en ontwikkeling voortdurend kunnen aanpassen aan veranderingen in hun omgeving, die wetenschappers 'plasticiteit' noemen. Begrijpen hoe planten beslissingen nemen is niet alleen interessant, het helpt wetenschappers ook nieuwe plantensoorten te kweken die kunnen reageren op hun steeds veranderlijkere omgeving met klimaatverandering.

Over de Auteurs

Mark Greenwood, PhD onderzoeker in cellulaire biologie, University of Cambridge en James Locke, onderzoeksgroepleider in systeembiologie, University of Cambridge

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.

ING