Wijze levenslessen doorgeven van ouder op kind gebeurt niet alleen bij mensen en dieren. Ook varens doen dat. Niet met woorden, maar met druk. Door op precies de juiste plekken te duwen, vertelt een varen haar embryo waar boven en onder is – en dus waar wortels en waar bladeren moeten groeien. Dat ontdekte promovendus Sjoerd Woudenberg bij onderzoek aan de varen Ceratopteris richardii. Hij verdedigde zijn proefschrift vandaag bij Wageningen University & Research.

Varens kennen we als grote, veervormige pluimen in het bos, relicten uit de tijd van de dinosauriërs. Het onderzoek van Sjoerd Woudenberg bij de leerstoelgroep Biochemie richt zich juist op een veel minder zichtbare fase van hun leven: de allereerste celdeling van de bevruchte eicel. Die vindt altijd plaats in exact dezelfde richting. Dat blijkt cruciaal, want die eerste deling legt de basis voor de verdere ontwikkeling. “De plant vormt zo direct een as, waardoor de ene kant van de plant zonlicht opvangt, en de andere kant kan uitgroeien tot wortels”, aldus Woudenberg. De oriëntatie van de celdeling kiest de cel niet zelf, maar wordt afgedwongen door het omliggende ‘moederweefsel’, het prothallium: een klein, hartvormig plantje dat op de bodem ligt en dient als kraamkamer voor een nieuwe varen.

Stress als kompas
Aanvankelijk vermoedde Woudenberg dat planthormonen of andere chemische signalen in de cel de eerste cruciale celdeling stuurden. Maar toen hij de plantembryo’s blootstelde aan het plantenhormoon auxine of chemische stofjes die celdelingen verstoren, gebeurde er verrassend weinig. “Later in de ontwikkeling zag ik duidelijke afwijkingen,” vertelt hij. “Maar die allereerste celdeling bleef zich koppig normaal gedragen.” Alsof het jonge embryo zich niets aantrok van chemische instructies.

Daarmee bleven maar weinig andere verklaringen over, waaronder mechanica: druk, spanning en krachten uit de omgeving als kompas. Om die hypothese te testen werkte Woudenberg samen met collega’s van de leerstoelgroep Physical Chemistry & Soft Matter. Ze brachten het volledige netwerk van cellen rondom het embryo in kaart en voerden die gegevens in een computermodel in. Zo konden ze berekenen waar in het weefsel mechanische stress ophoopt.

“Elke cel staat onder druk: turgor heet dat”, legt Woudenberg uit. “Dat zorgt op sommige plekken voor meer stress dan op andere.” Vergelijk het met een ballon: eenmaal opgeblazen is de druk op het rubber overal hetzelfde. Trek je hem aan twee kanten uit, dan concentreert de spanning zich op specifieke plekken. Zo werkt dat ook bij cellen. Wat bleek? Die spanning lag consequent op dezelfde plek rondom het embryo: precies grenzend aan de plek waar de bevruchte eicel zijn tussenwand vormt tijdens de eerste celdeling.

Link met microtubuli
Hoe de bevruchte eicel die mechanische spanning uiteindelijk vertaalt naar een delingsrichting, is nog niet helemaal duidelijk. Wel vermoedt Woudenberg dat microtubuli daarbij een belangrijke rol spelen. Dat zijn dynamische, holle buisjes die dienen als een soort snelweg door de cel en belangrijke bouwstoffen voor celgroei transporteren. Wetenschappers weten al langer dat microtubuli een rol spelen in celdeling én dat ze gevoelig zijn voor stress. “De link ligt dus voor de hand”, zegt Woudenberg. Of dit daadwerkelijk de manier is waarop varens zich oriënteren, moet blijken uit verder onderzoek. Ook andere, nog niet geteste chemische signalen durft de onderzoeker nog niet definitief uit te sluiten.

Zijn fascinatie voor varens geeft Woudenberg voorlopig niet op. Hij zet zijn onderzoek voort als postdoc in Gent, waar hij zich gaat verdiepen in de ontwikkeling van vaatweefsel in diezelfde varen Ceratopteris richardii.