De chemische stof die planten vertelt dat het tijd is om te slapen

We hebben allemaal onze vaste dagelijkse cyclus. We worden wakker, brengen de dag door met eten, werken en vrijetijdsbesteding en gaan dan weer slapen. Onregelmatigheden in deze cyclus, zoals niet slapen, ploegendienst, naar een andere tijdzone reizen of leven waar het 24 uur licht of donker is, kan ons welzijn en op lange termijn onze gezondheid echt ondermijnen.

De meeste planten hebben vergelijkbare cycli. Overdag worden er kleine zonneparken in de bladeren van de plant 'wakker' en zetten door fotosynthese zonlicht en kooldioxide om in suiker. 's Nachts wordt dit systeem uitgeschakeld. Veel andere plantenprocessen volgen een vergelijkbare cyclus, waarvan sommige overdag en sommige 's nachts wat actiever zijn. 

Nieuw onderzoek geeft inzicht in de invloed van deze cycli op de verouderingsprocessen van planten en omgekeerd. De dag-nacht cyclus wordt geregeld door wat bekend staat als de circadiaanse klok. De 2017 Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde werd toegekend aan dr. Jeffrey Hall en dr. Michael Rosbash van de Brandeis University in Waltham, Massachusetts, samen met dr. Michael Young van de Rockefeller University in New York, voor het ontdekken van het mechanisme achter het circadiaanse ritme van fruitvliegen.

Circadiaanse klokken zijn de 24-uurscycli die de biologische basisfuncties in levende wezens regelen, zoals metabolisme, bloeddruk, slaap- en hormoonniveaus. Volgens plantensignalenspecialist dr Mike Haydon, van de afdeling Biowetenschappen bij de University of Melbourne, is er sinds de ontdekkingen van Hall, Rosbash and Young veel onderzoek geweest naar de gezondheidseffecten van verstoringen van onze circadiaanse klokken naarmate we ouder worden.

"We weten dat de klok verandert naarmate we ouder worden en een rol speelt bij metabolische aandoeningen zoals diabetes en obesitas. We weten echter niet hoeveel invloed de klok heeft op de veroudering van planten," zegt Haydon.

In planten heeft onderzoek aangetoond dat omgevingssignalen zoals temperatuur en zonlicht de circadiaanse cycli regelen. Als je een plant echter in een donkere kast zet, lopen veel van deze dag-nacht processen gewoon door. Maar hoe? Onderzoekers zoals dr Haydon vinden dit mysterie fascinerend.

"De vroegste gerapporteerde experimenten die circadiaanse ritmes in planten bij volledige duisternis aantonen, werden in de 18e eeuw gedaan," zegt hij. "Deze biologische ritmes zijn meerdere keren geëvolueerd, in planten, dieren en andere organismen, dus ze zijn duidelijk belangrijk."

Gewone suiker, of sucrose, blijkt hierbij een rol te spelen. Dr. Haydon: "Bij mensen weten we dat ons circadiaanse ritme kan worden beïnvloed door wanneer we eten, en bij planten is het hetzelfde." 

"Een paar jaar geleden lieten mijn collega's en ik zien dat sucrose (dat door fotosynthese wordt geproduceerd) nodig is om in het donker circadiaanse ritmes aan de gang te houden."

"We hebben toen ontdekt dat suiker het circadiaanse ritme bij ononderbroken licht kan verkorten en deze 'feedbackloops' helpen planten de ideale cyclus te handhaven. "Maar we begrepen het mechanisme erachter niet helemaal."

Ethyleen staat bekend als het 'verouderingshormoon', wordt veel door planten geproduceerd en bevordert vooral de fruitrijping, maar het speelt ook een belangrijke rol bij de groei en de reactie op ziekteverwekkers of andere stressoren.

Planten geven ethyleen als gas af. Daarom zal een avocado sneller rijpen als er een gele banaan naast wordt geplaatst. "Ethyleengas is een manier waarop planten met elkaar communiceren om er bijvoorbeeld voor te zorgen dat fruit tegelijkertijd rijpt," zegt dr. Haydon.

Onderzoekers hebben Arabidopsis gebruikt om de rol van ethyleen in de circadiaanse ritmes van planten te onderzoeken. Foto: Wikimedia

Tijdens het onderzoek van de genen en eiwitten die de circadiaanse klok regelen in Arabidopsis (een kleine bloeiende plant verwant aan kool en mosterd) - een onderzoekssamenwerking onder leiding van dr. Haydon en professor Alex Webb aan de universiteiten van Melbourne, Cambridge en York - ontdekte men dat ethyleen een van de sleutels is tot de handhaving van het circadiaanse ritme van de plant.

Het werk werd gefinancierd door de UK Biotechnology and Biological Sciences Research Council en is gepubliceerd in het tijdschrift Plant Physiology."We wisten dat de ethyleenproductie de dag-nachtcyclus volgt, maar we wisten niet dat het deze cyclus helpt regelen," zegt dr. Haydon. "Ook ontdekten we dat ethyleen de circadiaanse periode verkortte, maar dat dit effect door suiker werd geblokkeerd."

Circadiaanse klokken regelen de 24-uurscycli van planten, maar volgens dr. Haydon zijn er andere 'klokken' die op de langere termijn werken, zoals seizoenscycli. Deze langdurige verouderingsprocessen, die sterk beïnvloed worden door ethyleen, zouden door verstoringen aan circadiaanse klokken kunnen worden beïnvloed.

"Door deze te manipuleren kunnen we de ontwikkelingssnelheden beïnvloeden om oogsten of de houdbaarheid te optimaliseren," zegt hij.

"Bananen worden bijvoorbeeld groen geoogst om schade tijdens het transport te minimaliseren en worden over de hele wereld verscheept. Wanneer ze hun bestemming bereiken worden ze vaak met ethyleen bespoten om ze te laten rijpen."

"Onderzoek in het verleden heeft aangetoond dat de circadiaanse ritmes van groenten en fruit zelfs na de oogst doorlopen," zegt dr. Haydon. Hierdoor rijst de vraag of we onze groenten en fruit in de koelkast moeten bewaren of daarbuiten hun natuurlijke dag-nacht cycli moeten laten behouden? Volgens dr. Haydon kun je ze beter buiten de koelkast bewaren.

"Zelfs nadat ze zijn afgesneden, zijn je groenten nog steeds levende plantencellen. Ze kunnen het best zo dichtbij hun natuurlijke omgeving als mogelijk worden bewaard. "