De Geheime Communicatie Van Planten

Filmregisseur James Cameron stelde zich voor dat op de planeet Polyphemus 'maan Pandora - de setting waarop de actie van de film Avatar plaatsvindt - alle organismen met elkaar verbonden waren. In een scène in de film waarschuwt dr. Grace Augustine (gespeeld door actrice Sigourney Weaver) de marinier en hoofdrolspeler dat de bronnen in deze natuurlijke satelliet worden beheerd dankzij "een soort elektrochemische communicatie tussen de wortels van de bomen".

Het milieu-pleidooi voor deze film, uitgebracht in 2009, omvatte het hoofdidee van Suzanne Simard, een wetenschapper aan de University of British Columbia in Vancouver (Canada), die in 1997 een deel van haar proefschrift in het tijdschrift publiceerdeNatuur over hoe planten met elkaar omgaan. Volgens hun studies worden bossen complexe systemen waarin soorten voedingsstoffen uitwisselen, waarschuwingssignalen afgeven en met meer of minder succes in wisselwerking staan ​​met de omgeving.

Degenen die verantwoordelijk zijn voor deze samenwerking zijn de mycorrhiza-netwerken,
dat wil zeggen, de symbiose tussen schimmels en plantenwortels

De expert verspreidt haar werk al 20 jaar over de hele wereld vanuit hetzelfde uitgangspunt: degenen die verantwoordelijk zijn voor deze samenwerking zijn de mycorrhiza-netwerken, dat wil zeggen de symbiose tussen schimmels en plantenwortels. Deze verbinding, ook wel het Hartig-netwerk genoemd, maakt de uitwisseling van voedingsstoffen, water en koolstof mogelijk met en tussen de plantensoorten waarmee ze zijn verbonden.

"De meeste plantensystemen groeien op deze symbiotische associatie waarbij de schimmel de plant voorziet van anorganische verbindingen zoals stikstof of fosfor die hij nodig heeft om te voeden en te groeien, en de plant voorziet de schimmel van suikers die het resultaat zijn van fotosynthese", legt de wetenschappelijke informatie over deze netwerken, die sommige onderzoekers het 'internet van planten' hebben genoemd vanwege hun gelijkenis met internetknooppunten.

Ondanks de acceptatie door de hele wetenschappelijke gemeenschap over de relevantie van de interacties die optreden bij mycorrhiza's, begint de controverse wanneer Simard naar deze verbanden verwijst als 'wijsheid van het bos'. Om deze reden hebben andere onderzoekers licht geworpen op dit netwerk van ondergrondse leidingen van wortels en hyfen (cilindrische filamenten van het lichaam van schimmels), die kilometers lang kunnen zijn en in alle klimaatsystemen voorkomen.

Bomen die koolstof uitwisselen

In die zin een studie van het tijdschriftWetenschap toonde na vijf jaar onderzoek aan dat sommige exemplaren van Europese sparren van meer dan 120 jaar oud in Zwitserse bossen koolstof overdragen naar andere bomen, zowel naar hun soortgenoten als naar die van verschillende soorten.

"Een bos is meer dan een verzameling individuele bomen.
Ze strijden niet langer alleen om middelen, ze delen ze. Ze treden collectief op ”, zegt de auteur

“Het was een verrassing om interspecifieke overdracht te vinden. Tot nu toe werd dit alleen weerspiegeld in zaailingen, maar niet in volwassen exemplaren ”, zegt Tamir Klein, geochemicus aan de Universiteit van Basel (Zwitserland) en hoofdauteur van het werk, voor wie de resultaten aanvankelijk het resultaat waren van een rekenfout. .

Om dit te controleren stapte Klein af van de 12 meter hoge kraan waaruit hij eerder de boomtoppen had bewaterd met een netwerk van buizen waarin hij koolstof-13 injecteerde, een soort element met een grotere dichtheid dan normaal in de lucht. "Hierdoor konden we het onderscheiden van het gebruikelijke materiaal en de overdracht ervan traceren van de bladeren, waar fotosynthese plaatsvond, totdat het werd getransporteerd naar de takken, stengels en fijne wortels van andere bomen", legt hij uit.

Eenmaal op de grond groef de Israëlische onderzoeker met zijn team in de grond totdat hij het mycorrhiza-netwerk bereikte om te verifiëren dat de gelabelde isotoop van het gelabelde exemplaar naar de dichtstbijzijnde bomen van verschillende soorten was gegaan. “Dit is heel relevant omdat het ons laat inzien dat een bos meer is dan een verzameling individuele bomen. Ze strijden niet langer alleen om middelen, ze delen ze. Ze treden collectief op ”, stelt de deskundige.

In dezelfde bossen bracht ecoloog Kevin Beiler, een onderzoeker aan de Universiteit van Eberswalde (Duitsland) en een student van Simard, de verbanden in kaart tussen mycorrhiza-soorten in een bos en Douglassparren (Pseudotsuga menziesi) via hun genetische verbindingen.

“Ik heb DNA-microsatellietmarkers gebruikt om de genen van de spar en de schimmel te verifiëren op elk punt waar de wortelcellen en hyfen samenkwamen. Ik verzamelde ook het DNA van elke boom en vergeleek het met de monsters die ik van de wortels dicht bij elk exemplaar had verkregen, ”zegt Beiler tegen Sinc.

De resultaten van deze eerste bemonstering, gepubliceerd in hetJournal of EcologY, ze overweldigden de onderzoeker, die observeerde hoe de wortels van elke Douglasspar vastzaten aan waarschijnlijk "meer dan 1.000 soorten mycorrhiza-schimmels", zegt hij. Om het ongenaakbare netwerk te bestuderen, besloot hij de verbanden te analyseren tussen de mycelia van de twee schimmels die het vaakst aan de wortels van dennenbomen vastzaten.

"Ik ontdekte dat de oudste bomen de bomen waren met de meeste connecties, terwijl de jongste exemplaren niet zo nauw verbonden waren met de rest van het bos", specificeert de Duitse wetenschapper, die als een van de eersten de term 'internet van planten' gebruikte. '(Wood Wide Web) aan dit mycorrhiza-netwerk met een studie inNieuwe fytoloog.

Verbindingen om bedreigingen te overwinnen

Deze netwerken, vergelijkbaar met de netwerken die we in ons wifi-netwerk thuis gebruiken, lopen het gevaar de verbinding te verbreken door het massaal kappen van bomen. Maar in het licht van andere bedreigingen, zoals verhoogde kooldioxide-uitstoot, spelen de leidingen die de bomen verbinden een essentiële rol, vooral gezien het feit dat bossen ongeveer 30% van deze uitstoot absorberen.

"Bomen kunnen profiteren van het bemestingseffect van koolstof en,
omdat ze snel groeien en zich voortplanten, nemen ze een grotere hoeveelheid CO op₂ sfeervol '

Een multidisciplinair team van wetenschappers, met medewerking van de Spaanse bioloog César Terrer, van Imperial College London, besproken inWetenschap 83 studies over de bemestingscapaciteit van grote plantecosystemen gerelateerd aan de toename van CO₂sfeervol.

"Een groot deel van de artikelen spraken elkaar tegen, maar we vonden een punt gemeen: de beperkende factor van stikstof", vertelt hij aan Sinc Terrer. Hier kwam een ​​speciaal type mycorrhizae in het spel, ectomycorrhizae, dit zijn hyfen vanschimmels geassocieerd met naaldsoorten zoals boreale bossen of alpiene regio's, vergelijkbaar met berken of dennen die in de rest van het onderzoek in het artikel zijn genoemd.

“Ectomycorrhizae hebben speciale enzymen die planten toegang geven tot anorganische stikstof uit de bodem, geproduceerd door bacteriën en micro-organismen, in ruil voor koolhydraten die planten produceren bij fotosynthese. Zo kunnen bomen profiteren van het bemestingseffect van koolstof en, terwijl ze snel groeien en zich voortplanten, nemen ze een grotere hoeveelheid CO op.₂ atmosferisch ”, zegt de wetenschapper, voor wie dit vermogen niet alleen afhangt van de aanwezigheid van stikstof in de bodem, maar van de associatie van planten met dit type schimmels.

Er werden soorten waargenomen dat ondanks het groeien in bodems waar minder stikstof was, de bomen meer ontwikkelden en daardoor meer koolstof absorbeerden omdat ze meer gelinkt waren aan ectomycorrhiza dan andere planten die werden geboren in bodems met meer stikstof, maar zonder de aanwezigheid van dit netwerk. ”, Stelt de Spaanse onderzoeker.

Volgens Terrer zijn veel van de koolstofopname-experimenten echter gedaan in bodems waar stikstof de belangrijkste beperkende factor is, en we kennen de patronen in fosfor-beperkte ecosystemen niet. "Dit zou erop duiden dat de bossen van de Amazone in de toekomst niet meer koolstof zouden kunnen opnemen", waarschuwt de onderzoeker.

In een andere studie vanWetenschap, afgelopen januari gepubliceerd, concentreerde wetenschapper Jonathan A. Bennett van de University of British Columbia zich op de relaties van 550 populaties van 55 Noord-Amerikaanse boomsoorten. Zijn team verzamelde zaden en zaailingen van de dominante soorten in het gebied, evenals bodemmonsters dicht bij de oudste bomen.

"De belangrijkste hypothese was dat de volwassen exemplaren, die tientallen jaren op dezelfde plek zijn gegroeid, veel interacties hebben veroorzaakt met andere bodemorganismen, waaronder zowel mycorrhiza-schimmels als pathogenen", zegt de Amerikaanse onderzoeker.

De resultaten bevestigden dit: de ectomycorrhiza-netwerken waren dikker naarmate ze dichter bij een ouder exemplaar kwamen. "Deze genereren een soort peul rond elk zaadje, een soort pantser waarmee de schimmels de kleine wortels van de zaailingen beschermen tegen ziekteverwekkers", vertelt de expert aan Sinc.

De 'markt' tussen planten en schimmels

Ondanks het belang van de netwerken die planten en schimmels met elkaar verbinden, weten wetenschappers nog steeds niet hoe de handel in voedingsstoffen tussen hen wordt gereguleerd. Voor Marcel van der Heijden, een ecoloog aan de Universiteit van Utrecht (Nederland), zijn dit geen onderlinge overdrachten, dat wil zeggen dat ze beide deelnemers in gelijke mate ten goede komen, en het is ook niet duidelijk welke soort de uitwisselingen domineert.

"Het is onmogelijk om het volledige scala aan interacties aan te pakken die optreden in arbusculaire symbiose-netwerken in de natuur, maar het lijkt erop dat ze niet allemaal reageren op de dynamiek van de biologische markt", zegt de Nederlander, die verwijst naar een perspectief vergelijkbaar met het economische, waarin de schimmels meer voedingsstoffen aan de planten zouden leveren, die op hun beurt weer meer koolstof leveren.

"In ons overzicht van studies over arbusculaire mycorrhizae, concludeerden we dat zowel planten als schimmels de levering van hulpbronnen kunnen reguleren en de ene of de andere symbionten kunnen begunstigen", benadrukt Van der Heijden in een studie gepubliceerd inNatuur planten waarin vijf verschillende uitwisselingsdynamieken werden vastgesteld, gaande van parasitisme tot de identificatie van de plant van zijn meest gunstige partner.

"In de symbiose wordt niet alleen koolstof uitgewisseld voor fosfor of stikstof, maar schimmels voorzien planten ook van andere voedingsstoffen zoals koper, ijzer of zink, en chemische verbindingen om stresssituaties te weerstaan, zoals aanvallen door ziekteverwekkers of droogte." de wetenschapper.

Niet de hele wetenschappelijke gemeenschap is het daarmee eens
over de laatste interacties van planten

Maar niet de hele wetenschappelijke gemeenschap is het uiteindelijk eens over de laatste interacties die de Nederlanders aangeven. Het idee dat planten alarm- of hulpsignalen kunnen afgeven aan hun soortgenoten, roept veel twijfels op. Er zijn echter studies die hierop wijzen.

 

Alarmsignalen uitzenden

Een daarvan is degene die is gepubliceerd inFrontiers in Plant Science door Ren Sen Zeng, een landbouwingenieur aan de Fujian Agricultural University, China. Het team van Zeng kweekte paren tomatenplanten in potten. In sommige monsters mochten de planten mycorrhiza-netwerken vormen, in andere was deze symbiose beperkt.

Toen de schimmelwebben waren gevormd, werden de bladeren van één plant van elk paar besproeidAlternaria solani, een schimmel die bacterievuur in landbouwgewassen veroorzaakt. Om te voorkomen dat de planten in wisselwerking treden met andere chemische verbindingen in de omgeving, waren ze omgeven met hermetisch afgesloten plastic zakken.

Na 65 uur infecteerde Zeng de plant die in elk paar gezond was, maar de exemplaren die waren vastgemaakt aan een mycorrhiza-netwerk vertoonden resistentie tegen de schimmel, waardoor ze minder snel ziek zouden worden; En toen ze dat deden, waren de stressniveaus aanzienlijk lager.

Een ander onderzoek vergelijkbaar met dat van Zeng wordt uitgevoerd door een team van wetenschappers van de Universiteit van Aberdeen (Schotland), onder leiding van David Johnson. Voor je studie, gepubliceerd inInzichten en perspectieven, Er werden tuinbonen geselecteerd, planten die ook met elkaar associëren met arbusculaire schimmelnetwerken.

Sommige monsters werden blootgesteld aan bladluizen, soorten insecten waarvan het ongedierte een bedreiging vormt voor landbouw- en bosgewassen, en tuinieren. In de studie voedden deze organismen zich met de bladeren van de tuinbonenplant waartoe ze toegang hadden. "Degenen die waren verbonden via de mycelia (massa van schimmeldraden) scheiden chemische afweermiddelen uit tegen bladluizen, terwijl degenen die niet verbonden waren, niet konden reageren", zegt Sinc Johnson.

Bossen fungeren dus als een organisme, een enorme structuur die onder de grond wordt gearticuleerd via een netwerk waarin een prominente cast van voor het menselijk oog onzichtbare actoren op elkaar inwerkt, maar die de toekomst van het klimaat kunnen bepalen. Het begrijpen van de werking ervan is de uitdaging waar de wetenschap nog steeds voor staat

Sturen planten berichten door de lucht?

Plantensoorten krijgen niet alleen prikkels via hun wortels. "Het is gebleken dat planten vluchtige organische stoffen (VOC's) detecteren met chemische receptoren in hun bladeren, die op hun beurt signalen doorgeven die uiteindelijk aanleiding geven tot veranderingen in genexpressie", zegt Josep Peñuelas, een onderzoeker bij het CSIC van het Centrum voor Ecologisch onderzoek en bostoepassingen (CREAF).

"Planten en andere organismen hebben door evolutie een soort taal ontwikkeld, biochemische paden, die ze hebben gebruikt om te communiceren en te handelen als gevolg van de ontvangen boodschap", zegt de wetenschapper, die als voorbeeld de variatie in hun emissies geeft. , wanneer de plant wordt besproeid met antibiotica.

Peñuelas benadrukt als de meest voor de hand liggende interacties die welke de uitwisseling van CO veroorzaken₂ en water. "Maar de uitstoot van VOS wordt gegeven door honderden met gevolgen voor het milieu, zonder welke de algemene werking van de biosfeer niet wordt begrepen", voegt hij eraan toe. Een voorbeeld hiervan is de bestuiving van bloemen, waarvan de weefsels deze verbindingen afgeven om de aandacht te trekken van insecten die hun stuifmeel zullen dragen.

SINC-agentschap