Hoe verdedigen planten zich tegen worteletende wezens?
Open PDF in new window.
Axel J. Touw 1, 2 and Nicole M. van Dam1,2*
1 Molecular Interaction Ecology, German Center for Integrative Biodiversity Research (iDiv), Halle-Jena-Leipzig, Leipzig, Germany2 Friedrich Schiller Universität Jena, Germany
De ondergrondse wereld zit vol met wezens die afhankelijk zijn van planten als voedselbron. Ondergrondse planteneters, ook wel herbivoren genoemd, voeden zich met wortels en kunnen flinke schade aan planten toebrengen. Wortels zijn erg belangrijk omdat ze planten helpen water en voedingsstoffen uit de bodem op te nemen. Dit zijn belangrijke voedingsstoffen die planten nodig hebben om te groeien. Om hun wortels te beschermen, produceren planten chemische beschermingsmiddelen. De productie van deze beschermingsmiddelen is duur omdat de voedingsstoffen en energie die worden gebruikt om de beschermingsmiddelen te maken niet kunnen worden gebruikt voor groei of de productie van bloemen en zaden. Planten moeten daarom efficiënt zijn met hun beschermingsmechanismen. Wetenschappers zijn zeer geïnteresseerd in hoe planten zich efficiënt beschermen, omdat dit ons kan helpen milieuvriendelijkere manieren te ontwikkelen om fruit en groenten te verbouwen. In dit hoofdstuk leggen we uit hoe planten zich efficiënt beschermen en hoe de bescherming van planten de planteneters in de bodem beïnvloedt.
PLANTEN: OVERLEVEN IN EEN GEVAARLIJKE WERELD
Planten zijn een belangrijke voedselbron voor veel wezens, waaronder mensen. Planteneters, ook wel herbivoren genoemd, kunnen grote zoogdieren zijn zoals koeien, schapen of paarden, maar de meeste zijn eigenlijk veel kleiner, zoals rupsen of bladluizen (Figuur 1). Omdat deze kleine planteneters meestal in grote aantallen voorkomen, kunnen ze veel schade aanrichten. Insecten zijn de meest diverse groep dieren op aarde. Er zijn ongeveer 1 miljoen soorten insecten bekend, waarvan ongeveer de helft planteneters zijn. Ter vergelijking: er leven maar ongeveer 5.500 soorten zoogdieren op aarde. Naast de grote en kleine planteneters boven de grond leven er ook veel planteneters onder de grond. De bodem zit vol met vele soorten planteneters die zich voeden met plantenwortels, waaronder insectenlarven, kleine wormen die aaltjes worden genoemd en spinachtige wezens die mijten worden genoemd (Figuur 1).
Er zijn meestal grote aantallen planteneters aanwezig in de bodem, net als bovengronds. Er zijn bijvoorbeeld 30.000 soorten aaltjes (ook wel nematoden genoemd) bekend, waarvan ongeveer 10% planteneters zijn. Eén enkel vrouwtjesaaltje produceert tot 200 eitjes. Dit betekent dat één plant door duizenden aaltjes tegelijk kan worden aangevallen. Kauwende insecten vormen een ander gevaar. Ze kunnen het watertransportsysteem van plantenwortels doorkauwen, waardoor de bladeren kunnen gaan hangen en de plant kan overlijden door gebrek aan water.
HOE VERDEDIGEN PLANTEN ZICH?
Je kunt je voorstellen dat planten het moeilijk hebben om te overleven met zoveel wezens die hen proberen aan te vallen. Omdat planten niet kunnen vluchten voor hun aanvallers, moesten ze manieren ontwikkelen om zich te verdedigen. Planten hebben verschillende beschermingsmechanismen tegen planteneters ontwikkeld [1]. Sommige beschermingsmechanismen van planten zijn gemakkelijk te zien, zoals de doornen van een roos, de haren op het blad van een brandnetel of de dikke huid van bietenwortels. Andere beschermingsstoffen, zoals chemische stoffen, zijn minder zichtbaar. Elke plant produceert duizenden verschillende chemische stoffen, die allemaal betrokken zijn bij essentiële processen. Sommige chemische stoffen, zoals suikers, leveren energie aan de plant. Andere groepen chemische stoffen helpen de plant zich te beschermen tegen aanvallers. Deze chemische bescherming kan ervoor zorgen dat de plant slecht smaakt, waardoor planteneters de plantweefsels niet opeten. In sommige gevallen kunnen de chemicaliën zelfs giftig zijn. Chemische beschermingsstoffen kunnen ook mensen aantasten. Er zijn veel planten die je erg ziek zouden maken als je ze zou eten, bijvoorbeeld de bessen van de zwarte nachtschade. Sommige planten, zoals gifsumak of berenklauw, kunnen uitslag geven en zelfs brandwonden veroorzaken als je ze aanraakt. De meeste chemische afweerstoffen zijn echter niet zo slecht. De kans is zelfs groot dat je zelf al eens bent blootgesteld aan chemische beschermingsmiddelen van planten.
Sommige chemische stoffen die planten produceren, vinden we lekker smaken. Heb je ooit mosterd op je hotdog of worst gesmeerd, of genoten van een lekkere Indiase curry met mosterdzaadjes? De scherp-bittere smaak van mosterd wordt veroorzaakt door beschermingsstoffen die glucosinolaten worden genoemd. In het wild helpen glucosinolaten planten om zich te beschermen tegen insecten, schimmels en bacteriën. De cafeïne in koffie, die mensen helpt om ‘s ochtends wakker te worden, wordt niet door koffiebomen gemaakt om mensen een plezier te doen. In werkelijkheid gebruiken koffiebomen cafeïne om hun zaden - de koffiebonen - te beschermen tegen aanvallen van insecten. Cafeïne geeft koffiebonen niet alleen hun bittere smaak, maar het kan insecten die proberen van de bonen te eten ook verlammen of doden.
Deze voorbeelden maken duidelijk dat chemische bescherming een effectieve manier is voor planten om zich te verdedigen tegen herbivoren in hun omgeving. Toch worden de meeste planten niet volledig beschermd door deze chemische stoffen. Als je goed kijkt naar de planten om je heen, zul je zien dat de meeste planten enige schade vertonen, zoals gaatjes in hun bladeren. Dit komt omdat de productie van chemische beschermingsmiddelen een prijs heeft. Planten moeten zich niet alleen zorgen maken over hun bescherming, maar ze moeten ook energie steken in groei, het produceren van bloemen en het maken beschermingsstoffen is dus beperkt. Planten moeten deze hoeveelheid energie op een efficiënte manier gebruiken.
HOE VERDEDIGEN PLANTEN ZICH EFFICIËNT?
Fossielen van bladeren die beschadigd zijn door planteneters laten zien dat planten en planteneters al meer dan 400 miljoen jaar samen op aarde leven. In die tijd hebben planten verschillende manieren ontwikkeld om op een kostenefficiënte manier beschermingsstoffen te produceren. Eén manier is om alleen beschermingsstoffen te produceren wanneer dat nodig is, bijvoorbeeld wanneer insecten ze beginnen op te eten [2]. Door alleen beschermingstoffen te produceren wanneer ze worden aangevallen, besparen planten energie wanneer er geen gevaren meer aanwezig zijn. Het nadeel van deze strategie is dat de productie van beschermingsstoffen pas begint als de planteneter begint te eten. Omdat de productie van beschermingsstoffen tijd kost, kan de plant aanzienlijke schade oplopen voordat de planteneter weg of dood gaat.
Een andere strategie is om altijd wat beschermingsstoffen bij de hand te hebben, maar in beperkte hoeveelheden. In dit geval verplaatst de plant de meeste bescherming naar de delen van de plant die het belangrijkst zijn om te overleven en die kwetsbaar zijn voor aanvallen door planteneters [3]. Dit is hetzelfde als een kasteel verdedigen door de soldaten op de buitenste muur te zetten, waar de eerste aanval zou plaatsvinden en waar het kasteel het meest kwetsbaar is. Het is duidelijk dat de schat in het kasteel dan goed bewaakt wordt, omdat deze het meest waardevol is. Bovengronds zijn zulke waardevolle plantendelen onder andere jonge bladeren, bloemen en zaden, die een belangrijke rol spelen in de energieproductie of in het maken van de volgende generatie.
Ondergronds hebben verschillende delen van het wortelstelsel ook allemaal verschillende waarden. Het wortelstelsel van planten zoals tomaat of kool bestaat uit drie delen: de penwortel, zijwortels en fijne wortels (Figuur 2). Zijwortels en fijne wortels helpen de plant om belangrijke voedingsstoffen en water uit de grond op te nemen. De penwortel is de hoofdwortel die al het water en de voedingsstoffen verzamelt die door de zijwortels en de fijne wortels worden opgenomen en ze naar de bovengrondse delen stuurt. Tegelijkertijd bewegen suikers en andere stoffen die in de bladeren worden gemaakt, door de penwortel in de andere richting. De belangrijke rol van de penwortel in de verplaatsing van voedingsstoffen en water maakt het een essentieel onderdeel van het wortelstelsel. Wanneer planteneters de penwortel beschadigen, worden de belangrijkste routes verbroken en zal de plant doodgaan. Bietjes slaan energie op in de penwortel in de vorm van suiker. Dit is te vergelijken met de schat in het kasteel. De penwortel wordt dan ook beschouwd als het meest waardevolle worteldeel en wordt het beste beschermd, op de voet gevolgd door de zijwortels en de fijne wortels [4] (Figuur 2).
WELKE EFFECTEN HEBBEN DE BESCHERMENDE EIGENSCHAPPEN VAN PLANTEN OP DE PLANTENETERS IN DE BODEM?
Planteneters beslissen welk worteldeel ze opeten op basis van de voedingswaarde en hoe goed het beschermd is [5]. De meeste planteneters eten het liefst de penwortel, omdat dit het meest voedzame deel van het wortelstelsel is. Maar, zoals eerder aangegeven, is de penwortel ook het best beschermde deel. Niet alle planteneters kunnen deze chemische bescherming overwinnen. Sommige planteneters, zoals de larven van de koolvlieg, kunnen de chemische bescherming uitschakelen en zich voeden met de penwortel [4]. Andere herbivoren, zoals de larven van de Europese junikever, kunnen niet omgaan met de hoge beschermingsniveaus in de penwortel en eten in plaats daarvan de zijwortels en fijne wortels (Figuur 2). De verspreiding van chemische beschermingsmechanismen over het wortelstelsel en het vermogen van herbivoren om deze beschermingsmechanismen te overwinnen, hebben dus een sterke invloed op waar herbivoren in de bodem te vinden zijn.
OP WELKE MANIER KUNNEN WETESCHAPPERS DEZE KENNNIS GEBRUIKEN?
De kennis die we opdoen door de beschermingssystemen van planten te bestuderen, helpt ons te begrijpen hoe planten omgaan met planteneters en andere dieren in hun omgeving. De kennis over hoe planten zich beschermen kan ons bovendien helpen om milieuvriendelijkere manieren te ontwikkelen om gewassen te telen. Plantenveredeling kan nieuwe gewassen maken, zoals planten met mooiere kleuren, interessantere smaken of grotere vruchten. Op dezelfde manier kunnen plantenveredelaars gewassen maken die zich beter beschermen tegen aanvallers. Om dit te kunnen doen, moeten plantenveredelaars begrijpen hoe planten beschermingsstoffen produceren en tegen welke aanvallers deze beschermingsstoffen effectief zijn. Wetenschappers die de bescherming van planten bestuderen in laboratoria en met veldstudies, verzamelen dit soort informatie. Door gewassen met betere bescherming te maken, kunnen we boeren helpen om minder chemische bestrijdingsmiddelen te gebruiken. Dit is goed nieuws voor zowel de menselijke gezondheid als de gezondheid van ons milieu.
WOORDENLIJST
Herbivoor
Een dier dat planten eet.
**Beschermingsmiddelen van planten **
Eigenschappen van een plant die het gedrag, de groei of de overleving van planteneters beïnvloeden.
Nematoden
Kleine, wormachtige diertjes die meestal in de bodem voorkomen, maar ook in zeeën of meren, in de darmen van dieren en zelfs in de ingewanden van insecten.
Glucosinolaten
Beschermingsstoffen die verantwoordelijk zijn voor de scherpe, bittere smaak van mosterd en wasabi. Hoewel de meeste mensen van hun smaak genieten, zijn ze giftig voor de meeste insecten, nematoden en bacteriën.
Penwortel
Hoofdwortel waaruit zijwortels ontstaan. Verzamelt water en voedingsstoffen van de rest van het wortelstelsel en verdeelt ze bovengronds. In wortelen en bieten worden zetmeel en voedingsstoffen opgeslagen.
Plantenveredeling
De wetenschap van het creëren van nieuwe plantenvariëteiten met wenselijke eigenschappen zoals smaak, geur, kleur of weerstand tegen planteneters of bepaalde omgevingsfactoren zoals droogte.
DANKWOORD
We bedanken Jennifer Gabriel (iDiv, Leipzig) voor haar geweldige hulp met de figuren. We zijn dankbaar voor de hulp van de redacteuren van de Soil Biodiversity collectie tijdens het schrijfproces en voor de vriendelijke opmerkingen van de jonge recensenten en hun mentoren wiens advies onmisbaar was voor de voltooiing van dit artikel. Tot slot willen we de Duitse Research Foundation (DFG) bedanken voor het financieren van ons onderzoek naar koolwortelvliegen bij iDiv (DFG-FZT 118, 202548816), in samenwerking met ChemBioSys (SFB 1127, 239748522).
BRONNEN
[1] Ehrlich, P. R., and Raven, P. H. 1964. Butterflies and plants-a study in coevolution. Evolution. 18:586–608.
[2] Karban, R. 2020. The ecology and evolution of induced responses to herbivory and how plants perceive risk. Ecol. Entomol. 45:1–9. doi: 10.1111/een.12771
[3] Meldau, S., Erb, M., and Baldwin, I. T. 2012. Defence on demand: mechanisms behind optimal defence patterns. Ann. Bot. 110:1503–14. doi: 10.1093/aob/mcs212
[4] Tsunoda, T., Grosser, K., and van Dam, N. M. 2018. Locally and systemically induced glucosinolates follow optimal defence allocation theory upon root herbivory. Funct. Ecol. 32:2127–37. doi: 10.1111/1365-2435.13147
[5] Tsunoda, T., and van Dam, N. M. 2017. Root chemical traits and their roles in belowground biotic interactions. Pedobiologia (Jena). 65:58–67. doi: 10.1016/j.pedobi.2017.05.007
BEWERKT DOOR: Helen Philips, Saint Mary’s University, Canada
CITATIE: Touw AJ and Van Dam NM (2022) How Do Plants Defend Themselves From Root-Eating Creatures?. Front. Young Minds. 10:660701. doi: 10.3389/frym.2022.660701
VERKLARING BELANGENVERSTRENGLING: De auteurs verklaren dat het onderzoek is uitgevoerd zonder enige commerciële of financiële belang wat kan worden opgevat als een potentiele belangenverstrengeling.
AUTEURSRECHT © 2022 Touw and van Dam. Dit is een openbaar toegankelijk artikel dat wordt verspreid onder de voorwaarden van de Creative Commons Attribution License (CC BY). Het gebruik, de verspreiding of reproductie in andere fora is toegestaan, mits de oorspronkelijke auteur(s) en de auteursrechthebbende(n) worden vermeld en de oorspronkelijke publicatie in dit tijdschrift wordt geciteerd, in overeenstemming met de gangbare academische praktijk. Gebruik, verspreiding of reproductie die niet aan deze voorwaarden voldoet, is niet toegestaan.
JONGE RECENSENTEN
HARRISON, 11 Jaar
Ik hou van sporten zoals hockey, hardlopen en achter mijn hond aanrennen! Ik vind het ook leuk om nieuwe dingen te ontdekken, maar geen nieuw eten! Omdat ik nu op de basisschool zit, kijk ik ernaar uit om naar de middelbare school te gaan en veel nieuwe vakken te volgen. Mijn favoriete vak op dit moment is wiskunde.
AVANI, 10 Jaar
Hallo, ik ben Avani. Ik hou van hardlopen en zwemmen. Ik ben ook danseres. Ik vind het heerlijk om met mijn hond te wandelen of stenen te verzamelen. Ik hou van wiskunde, wetenschappen en sport. Ik speel graag videogames en bel graag met vrienden. Ik hou van de natuur en koud, winderig weer.
**CATHERINE, 15 Jaar **
Ik hou van muziek en zingen, ik speel viool en gitaar en ik hou ook van schrijven! Ik maak deel uit van een highland dance-groep en doe vrijwilligerswerk met kinderen bij lokale kinderclubs en gidsen. Ik vind het leuk om jeugdevenementen bij mijn kerk bij te wonen en aan fitness te doen. Ik hoop dat ik door deze artikelen te lezen nieuwe en interessante dingen kan leren!
JONGE RECENSENT (VERTALING)
RAFAË**L, 13 Jaar **
Ik ben Rafaël en ik vind gamen leuk en het immuunsysteem cool B-)
AUTEURS
AXEL TOUW
Axel is al van jongs af aan geboeid door de natuur. In die tijd was hij vooral geïnteresseerd in dinosaurussen, katten, honden, hagedissen en kikkers, maar vooral in vogels. Het eerste wat hij ooit tekende was een uil (met wat fantasie). Tijdens zijn studie biologie raakte hij geïnteresseerd in hoe planten communiceren, vooral met insecten. Tegenwoordig bestudeert Axel hoe planten zich beschermen tegen microben, nematoden en insecten. In zijn vrije tijd is hij graag buiten, voetbalt hij, leest hij en kookt hij. Hij probeert ook de informatie die hij tijdens zijn onderzoek heeft opgedaan in zijn tuin te gebruiken, met wisselend succes. *axel.touw@idiv.de
NICOLE M. VAN DAM
Nicole is geboren en opgegroeid in Nederland bij haar ouders en twee jongere zusjes. Als kind experimenteerde ze graag met insecten. Ze testte bijvoorbeeld of mieren kunnen zwemmen door ze in plassen te zetten (voor het geval je het je afvraagt, ze doen het heel goed). Ze studeerde biologie in Wageningen. Daar raakte ze geïnteresseerd in hoe planten zichzelf kunnen beschermen en hoe boeren deze kennis kunnen gebruiken om het gebruik van pesticiden te verminderen. Nadat ze nog veel meer experimenten had gedaan met insecten en planten op verschillende plaatsen in de wereld, werd ze professor. In haar vrije tijd doet ze graag aan yoga en kijkt ze films met haar twee zonen (19 en 21). Samen met haar man kweekt ze biologische groenten en fruit in haar tuin. Daar krijgt ze ook inspiratie voor nieuwe onderzoeksprojecten.
VERTALER
LIESBETH VAN DEN BRINK
Liesbeth is ecoloog en doet onderzoek naar interacties tussen bodem, planten, dieren en klimaatverandering. Ze werkt als PostDoc bij het Botanische Instituut, University of Natural Resources and Life Sciences, Wenen.
FINANCIERING (VERTALING)
Het team Translating Soil Biodiversity bedankt het Duitse Centrum voor Integratief Biodiversiteitsonderzoek (iDiv) Halle-Jena-Leipzig, gefinancierd door de Duitse Onderzoeksstichting (DFG FZT 118, 202548816), voor hun steun
CITATION (TRANSLATION)
This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC-BY 4.0). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.
Recommended citation format: Touw, A & van Dam, N (2025) How do plants defend themselves from root-eating creatures? (Dutch translation: Liesbeth van den Brink). Translating Soil Biodiversity & Front. Young Minds. Originally published in 2022, doi: 10.3389/frym.2022.660701
Figures
Figuur 1: Voorbeelden van bovengrondse en ondergrondse planteneters. (A) Koolluizen, (B) de rups van de bietenlegerworm, (C) een plantenetende nematode en (D) de larven van de koolwortelvlieg. (Foto: Axel Touw).
Figuur 2: De verspreiding van chemische afweerstoffen over een wortelstelsel en hoe dit ondergrondse herbivoren beïnvloedt. Rood geeft het hoogste beschermingsniveau in het wortelstelsel aan en geel het laagste. Chemische bescherming is over het algemeen het hoogst in de penwortel (rood), gevolgd door de zijwortels (oranje) en de fijne wortels (geel). Sommige insecten, zoals de koolwortelvlieg, kunnen de chemische bescherming van een plant uitschakelen en de penwortel opeten, waar de bescherming het hoogst is. Andere herbivoren, zoals de Europese junikever, kunnen de bescherming van de plant niet uitschakelen en eten daarom de fijne wortels, waar de chemische bescherming lager is. (Afbeelding credit: Jennifer Gabriel).