Door de hele menselijke geschiedenis heen zijn planten het voorwerp geweest van een alomtegenwoordige en soms dominante artistieke en intellectuele belangstelling. Planten waren belangrijke onderwerpen vanaf de vroegste studie van levensprocessen, en ze stonden centraal in de wetenschappelijke studie in de negentiende en vroege twintigste eeuw.
Er zijn nog goede redenen om de fundamentele levensprocessen van planten te bestuderen. Onderzoek aan planten verrijkt ons intellectuele leven en vergroot onze kennis over andere levensprocessen. Ook de resultaten van onderzoek aan plantsystemen kunnen ons iets lerenHoeom problemen op het gebied van landbouw, gezondheid en milieu aan te pakken.
Planten, menselijke gezondheid en beschaving
Ons begrip van het plantenleven vormt de basis van een breed scala aan activiteiten en raakt vrijwel elk aspect van het menselijk leven. Vanaf hun oorsprong zijn menselijke beschavingen voor hun ontwikkeling en welvaart afhankelijk geweest van hun vermogen om planten te beheren en zijn ze soms gevallen omdat ze hierin niet slaagden. Door de geschiedenis heen zijn planten verzameld, verhandeld, selectief aangepast voor nieuwe omgevingen en gekweekt voor nieuwe combinaties van eigenschappen. Planten zijn gemanipuleerd voor gebruik als voedsel en vezels, en voor vele andere, vooral esthetische doeleinden.
De moderne beschaving berust op de succesvolle en duurzame teelt van planten en op het verstandige gebruik van de biologische en fysieke hulpbronnen waarvan de teelt afhankelijk is. Onze kennis over de wereld om ons heen is onvolledig als we planten niet meenemen in onze ontdekkingen, en het wordt vertekend als we niet voldoende nadruk leggen op het plantenleven. Er zijn ook veel dwingende praktische redenen voor de samenleving om te investeren in onderzoek naar planten en haar burgers op te leiden voor beroepen waarin kennis over planten belangrijk is. Uit fundamentele ontdekkingen over het plantenleven ontstaan technologieën en mogelijkheden in een breed scala aan praktische toepassingen (Figuur 2).
Figuur 2
Mogelijke toepassingen van planbiologisch onderzoek.
Planten en het milieu
Alleen hogere planten en enkele micro-organismen kunnen lichtenergie van de zon omzetten in chemische energie. Fotosynthetische organismen staan centraal in de gastvrijheid van de aarde voor ander leven. Planten en fotosynthetische bacteriën hebben de atmosfeer van de aarde doen ontstaan. Ze zijn belangrijk bij het reguleren van het klimaat en de chemische en biologische omstandigheden van de bodem en het water. Fotosynthetische planten zijn de bron van de fossiele brandstoffen die we vandaag uitputten, en ze vormen de gemakkelijkst te oogsten bron van hernieuwbare energie voor morgen. Het primaire atmosferische gas dat door planten wordt opgenomen in de fotosynthese, koolstofdioxide, is een van de belangrijkste 'broeikasgassen'. Planten reguleren de koolstofcyclus van de biosfeer. Planten spelen, mede door hun unieke symbiotische relaties met micro-organismen, ook een grote rol bij het reguleren van de verdeling van stikstof tussen atmosferische en levensprocessen. We zullen het mondiale milieu nooit volledig begrijpen – of serieuze hoop hebben om het met succes te beheren in het licht van explosieve bevolkingsgroei – totdat we een veel uitgebreider begrip hebben van planten, hun cellulaire processen en hun ecologie en populatiebiologie.
Planten zijn belangrijk voor het behoud van een gezond milieu, bijvoorbeeld door erosie en waterverontreiniging tegen te gaan en door luchtverontreiniging te helpen verminderen. Ze verbeteren overal de omgeving voor menselijke activiteiten - van binnenruimtes tot uitgestrekte wildernisgebieden.
De rol van terrestrische planten en marien fytoplankton bij het in stand houden van een omgeving die geschikt is voor menselijke bewoning wordt onvoldoende onderkend, maar er is een groeiend besef van de dringende noodzaak om de rol van planten te belichten. De cumulatieve effecten van meer dan een eeuw industriële activiteit, explosieve bevolkingsgroei, ernstige verschuivingen in landgebruik en andere effecten van menselijk gebruik van de aarde laten zien dat menselijke activiteiten de bufferende effecten van de natuurlijke processen die het mondiale klimaat reguleren, kunnen overschaduwen. De gezondheid en het welzijn van het menselijk ras zouden heel goed kunnen berusten op het verkrijgen van een beter begrip waarop we een meer beredeneerde exploitatie van het plantenleven kunnen baseren.
Unieke en wetenschappelijk interessante eigenschappen van planten
Planten verschillen op een aantal belangrijke punten van dieren.
Ontwikkeling. De groei van een plant van een ongedifferentieerde cel tot een compleet en volwassen organisme vereist slechts enkele hormonen. Bovendien zijn plantencellen totipotent: het is mogelijk om een hele plant te regenereren uit een enkele blad- of wortelcel. Daarentegen vormen specifieke cellen (de kiembaan) van een dier in vroege ontwikkeling de geslachtscellen. Planten hebben in deze zin geen kiembaan en produceren laat in hun ontwikkeling geslachtsorganen en gameten uit somatisch weefsel.
Biochemie. Planten zijn vrijwel de enige bron van nieuwe zuurstof en koolhydraten op de planeet. Licht wordt geoogst door unieke organellen, de chloroplasten. Planten synthetiseren de 20 aminozuren die nodig zijn voor eiwitten, inclusief de 10 aminozuren die mensen niet kunnen produceren. Bovendien kunnen micro-organismen in een unieke symbiotische relatie met sommige planten stikstof uit de lucht vastleggen voor gebruik door planten bij de synthese van aminozuren, eiwitten en andere verbindingen.
Fysiologie. Planten missen de belangrijkste orgaansystemen die bij dieren aanwezig zijn. Toch stelt hun fysiologie hen in staat te reageren op hun omgeving. In plaats van een immuunsysteem hebben ze induceerbare ziekteresistentiemechanismen waarmee ze natuurlijke gifstoffen kunnen maken tegen schimmel- en bacteriële pathogenen. In plaats van een zenuwstelsel hebben ze een repertoire van receptoren en pigmenten waarmee ze kunnen reageren op hun omgeving. In plaats van een spier- en skeletstelsel hebben ze een nieuwe set vezels ter ondersteuning. Ze zijn gehecht aan hun substraten en kunnen alleen bewegen door te groeien of door water te winnen of te verliezen.
Planten en opwarming van de aarde
Atmosferische modelbouwers proberen de effecten van veranderingen in kooldioxideconcentratie op wereldwijde weerpatronen en temperatuur te evalueren. Modellen die de opname van kooldioxide en het waterverlies voorspellen door bladeren die onder verschillende omgevingsomstandigheden groeien, kunnen een belangrijke bijdrage leveren aan het ophelderen van de wereldwijde klimaatverandering. Ander plantenonderzoek is nodig om gevoelige manieren te ontwikkelen om te bepalen hoeveel van de lichtenergie die door een blad wordt geabsorbeerd, wordt gebruikt voor fotosynthese (voor metabolisme en groei) en hoeveel eenvoudigweg opnieuw wordt uitgestraald als warmte. De efficiëntie waarmee planten licht gebruiken kan enorm variëren als reactie op omgevingsvariabelen, zoals waterstress, temperatuur, ziekte- of insectenschade, of fluctuaties in de toevoer van stikstof of fosfor. Theoretische modellen worden rigoureus getest, met redelijk succes. Daarnaast worden teledetectietechnieken ontwikkeld om de fotosyntheseprestaties van hele plantengemeenschappen als reactie op stress te evalueren. Modellering en experimentele studies beloven de kwantitatieve informatie die nodig is om voorspellingen van atmosferische verandering (of het ontbreken daarvan) op een solide basis te zetten.
Planten in landbouw, geneeskunde en industrie
Macroscopische en microscopische planten vormen de eerste schakel in de terrestrische en aquatische voedselketens. Planten vormen dus het hart van de landbouw. Samen met micro-organismen en gedomesticeerde dieren vormen planten de grondstoffen voor ons eten en drinken. Planten leveren ook veel van de materialen die worden gebruikt in kleding en gebouwen. De toepassing van basiskennis over planten heeft de moderne landbouw mogelijk gemaakt. Zo leidden studies naar de nutriëntenbehoefte van planten tot bodemvruchtbaarheidsbeheer.
De Groene Revolutie is gebaseerd op fundamentele kennis uit onderzoek op het gebied van genetica en plantenvoeding. Genetische manipulatie is een krachtige, bewezen methode om de productiviteit, kwaliteit en ziekteresistentie van planten te verbeteren. Basiskennis van genetische overerving, verdedigingsreacties, pathogeengenetica en populatiegenetica zal verbeteringen blijven opleveren in de technologie die nodig is om een stabiele voedselvoorziening veilig te stellen.
Planten zijn cruciaal voor de gezondheid van de mens. Ze zijn de enige bron van enkele van de essentiële aminozuren, vitamines en andere voedingsstoffen in onze voeding. Onderzoek met planten stond centraal bij het ophelderen van de rol van vitamines in de gezondheid en ziekte van de mens: planten met een hoog ascorbinezuur, zoals paprika's en citrusvruchten, voorkomen scheurbuik. Granen in de voeding leveren B-vitaminen. Veel medicijnen werden voor het eerst ontdekt als plantaardige producten voordat methoden voor hun synthese werden ontwikkeld. Onderzoek op planten leverde hartglycosiden op (zoals digitalis), een breed scala aan bruikbare alkaloïden (zoals scopolamine, atropine, kinine en efedrine), dicoumarol en vele andere medicijnen. Onderzoek op lagere planten en landbouwgronden leverde veel antibiotica op. Zelfs vandaag de dag is meer dan 20 procent van alle geneesmiddelen op recept afkomstig van planten.
De chemische industrie is ontstaan uit het werk van Duitse wetenschappers die leerden kleurstoffen te synthetiseren uit koolteer, een derivaat van fossiele planten, ter vervanging van de veelgebruikte kleurstoffen afkomstig van wilde en gecultiveerde planten. Nu is de zoektocht omgekeerd en wordt gezocht naar plantaardige producten ter vervanging van schadelijke koolteerkleurstoffen. De moderne industrie en samenleving blijven in veel opzichten afhankelijk van chemische producten die zijn afgeleid van planten, zoals zepen, wasmiddelen, rubber, verf, harsen, kunststoffen, adsorptiemiddelen en kleefstoffen.
Planten en de oorsprong van de moderne biologie
Onderzoek met planten heeft de ontwikkeling van de biologie sterk beïnvloed en heeft bijgedragen aan veel belangrijke wetenschappelijke vooruitgang. Het was onderzoek met planten dat leidde tot de ontdekking van de regels van genetische overerving (Gregor Mendel's erwten), van de rol van licht bij het reguleren van de fysiologische reacties van hogere organismen (fytochromen), van transpositie van genetische elementen (controlerende elementen in maïs) en van de eiwitaard van enzymen (urease). Onderzoek met een plantenvirus heeft bijgedragen aan het ophelderen van de structuur van DNA zelf (röntgendiffractie met tabaksmozaïekvirus) en van de rol van nucleïnezuren in het erfelijk materiaal van alle levensvormen.
Deze voorbeelden illustreren hoe de studie van planten het biologische onderzoek gedurende meerdere generaties heeft beïnvloed. Maar hoe goed zijn we toegerust om om te gaan met de kansen en uitdagingen die voor ons liggen? De technieken van de moderne biologie, en in het bijzonder de moderne genetica, maken veel moeilijke problemen in de plantenbiologie benaderbaar. Vóór het tijdperk van recombinant DNA waren de hulpmiddelen die beschikbaar waren voor genetische studies van de ontwikkeling, het metabolisme en de reactie op het milieu van planten relatief grof. Nu biedt de moderne genetica nieuwe beloften voor de plantenwetenschappen. Op sommige gebieden van de moderne biologie bieden planten het geprefereerde modelsysteem voor fundamentele en verkennende wetenschap door toepassing van moleculair genetische technieken. Wetenschappers kunnen nu gemakkelijk genen overdragen tussen plantensoorten, en omdat de genomen van sommige plantensoorten vrij klein zijn, kunnen ze gemakkelijk worden bestudeerd. Planten kunnen worden gebruikt om veel algemene vragen in de biologie te beantwoorden in uiteenlopende subdisciplines als ontwikkeling, metabolisme, genregulatie, symbiose en chromosoomstructuur.
Het behoort niet tot de reikwijdte van dit rapport om een onderzoeksagenda voor de plantenwetenschappen te beschrijven. Andere rapporten van de National Research Council bevatten relevante onderzoeksagenda's, bijvoorbeeldInvesteren in onderzoek(NRC, 1989a),Kansen in de biologie(NRC, 1989b), enBosbouwonderzoek: een mandaat voor verandering(NRC, 1990).
In de afgelopen jaren is de belangstelling van de wetenschappelijke gemeenschap voor onderzoek met planten aanzienlijk toegenomen. De kracht van moderne methoden om belangrijke vragen in de plantenbiologie te beantwoorden, heeft de interesse van wetenschappers in vooraanstaande universiteiten en andere onderzoeksinstellingen in de Verenigde Staten en daarbuiten gestimuleerd. Goed gefinancierde plantenbiologische laboratoria hier en elders leveren onderzoeksbijdragen op het snijvlak van de biologie. Deze verhoogde belangstelling heeft meer waardevolle onderzoeksvoorstellen opgeleverd dan openbare instanties kunnen financieren. Uit een informeel onderzoek onder de particuliere sector in de landbouwbiotechnologie blijkt dat eind jaren tachtig jaarlijks ongeveer 250 miljoen dollar (exclusief ontwikkelingskosten) werd uitgegeven aan fundamenteel plantenbiologisch onderzoek door bedrijven die voornamelijk of uitsluitend met planten werkten.
De vruchtbaarheid van het moderne plantenbiologische onderzoek wordt gedemonstreerd in speciale nummers vanWetenschap(16 november 1990) enCel(27 januari 1989). Ontwikkelingsbiologie, cel-naar-cel herkenning, signaaltransductie, de moleculaire basis van ziekte, plant-microbe interacties, genregulatie, transpositie en fotosynthese zijn enkele van de gebieden die in deze kwesties aan bod komen. De afgelopen tijd zijn er verschillende nieuwe plantentijdschriften gelanceerd; drie toonaangevende voorbeelden zijn:De plantencel, het plantendagboek,EnMoleculaire biologie van planten.