Enkele planten produceren hun eigen pesticiden – maar wat zijn de gevolgen voor het milieu?

Een natuurlijke alternatieve voor pesticiden kan zich bevinden in een verkeerd begrepen plantaardige verbinding—maar dit kan wel een milieukost met zich meebrengen.

Jarenlang wisten wetenschappers weinig over isopreen, een natuurlijke chemische stof die door planten wordt geproduceerd. Nieuw onderzoek van de Michigan State University, dat veertig jaar in de maak is, werpt nu licht op hoe deze natuurlijke stof insecten kan afschrikken—en hoe sommige planten die normaal gesproken geen isopreen aanmaken, deze productie kunnen activeren in tijden van stress.

Tom Sharkey, een onderscheiden professor aan de Michigan State University in het Department of Energy Plant Research Laboratory, het MSU Plant Resilience Institute en de afdeling Biochemie en Moleculaire Biologie, heeft isopreen gedurende een groot deel van zijn carrière bestudeerd. Nu heeft zijn lab bevindingen gepubliceerd die een pad kunnen bieden voor het ontwikkelen van planten die veerkrachtiger zijn tegen milieuwijzigingen en plaagaanvallen.

Het team heeft in Science Advances een hormonale reactie onthuld die door isopreen wordt veroorzaakt en die ervoor zorgt dat insecten deze planten vermijden. Insecten die op isopreen-behandelde bladeren knabbelden, kregen buikpijn, dankzij onverteerbare eiwitten die actief worden wanneer de verbinding aanwezig is. Deze eiwitten remmen ook de groei van wormen die het aandurven door te blijven eten.

Een ander onderzoek, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences, onthult dat soja isopreen produceert wanneer hun bladeren verwond zijn. Deze ontdekking was bijzonder verrassend, aangezien onderzoekers eerder geloofden dat moderne gewassen geen isopreen produceerden. Deze eigenschap zou gewassen veerkrachtiger kunnen maken tegen hitte en plagen.

Maar dat voordeel kan wel een prijs hebben. Isopreen is een koolwaterstof die luchtvervuiling verergert, vooral in gebieden met al een slechte luchtkwaliteit. Als meer gewassen zouden worden ontwikkeld om isopreen vrij te geven, kan dat verder schadelijk zijn voor de atmosfeer van de aarde. Het onderzoek heeft ook implicaties voor de manier waarop soja luchtvervuiling kan beïnvloeden.

“Dat is een van de belangrijkste vragen die uit dit onderzoek naar voren komt,” zei Sharkey. “Moeten we isopreen aan gewassen toevoegen zodat ze beschermd zijn tegen insecten, ook al heeft dat gevolgen voor de ozonlaag? Of moeten we planten genetisch zo aanpassen dat we de productie van isopreen zo veel mogelijk kunnen verminderen om de atmosfeer te verbeteren?”

Een verkeerd begrepen verbinding

Isopreen is een van de meest uitgezonden koolwaterstoffen op aarde, na methaanemissies door menselijke activiteiten. Deze organische verbindingen interageren met zonlicht en stikstofoxide van kolencentrales en voertuiguitstoot, waardoor een giftige mix van ozon, aerosolen en andere schadelijke bijproducten ontstaat.

Niet alle planten produceren isopreen, en de planten die dat wel doen, maken er meestal meer van in warm weer. Het wordt voornamelijk aangetroffen in eiken- en populierenbomen, maar in tegenstelling tot vergelijkbare moleculen in dennen- en eucalyptusbomen, heeft isopreen geen geur.

“Iedereen begrijpt wel wat de geur is als je door een dennenbos wandelt,” zei Sharkey. “In een eikenbos, dat meer koolwaterstoffen produceert omdat het zoveel isopreen maakt, merk je het gewoon niet op.”

Isopreen-producerende planten stoten op warme zomerdagen meer van de verbinding uit. Wetenschappers geloven dat dit helpt om planten te stabiliseren en stressreacties te neutraliseren. Planten die isopreen uitstralen, worden ook verondersteld pestbestendig te zijn, hoewel er tot nu toe weinig onderzoek is gedaan naar de redenen hiervoor.

Maar naarmate planten meer isopreen aanmaken, offeren ze een deel van hun groeipotentieel op. Wanneer planten isopreen produceren, leiden ze koolstof weg van groei en opslag en investeren ze in hun verdediging. Sommigen geloven dat dit is waarom veel planten onder evolutionaire druk hebben toegegeven en de isopreen synthase genen hebben verloren.

Sharkey raakte voor het eerst geïnteresseerd in isopreen als graduate student aan de MSU. Op basis van een eenvoudige kosten-batenanalyse wist hij dat er een voordeel moest zijn aan het behouden van het isopreen-producerende gen. Hij heeft een groot deel van zijn carrière, eerst aan de Universiteit van Wisconsin en nu aan de MSU, gewijd aan het ontdekken wat dat voordeel is.

Een per ongeluk experiment

Een wittevlieginfectie in een kweekkas van de MSU was de eerste test om te onderzoeken hoe isopreen planten tegen insecten beschermt. Sharkey’s lab kweekte twee soorten tabaksplanten in de kas: een genetisch gemodificeerde plant die isopreen uitstootte en een niet-uitstotende plant. Het was zelfs voor een casual waarnemer duidelijk dat witte vliegen de niet-uitstotende plant verkozen.

Onderzoekers testten hun theorie verder door tabakswormen te observeren. De wormen vielen gretig de niet-uitstotende bladeren aan terwijl ze de andere met rust lieten. Na tien dagen waren de hornworms die alleen isopreen-uitstotende bladeren hadden gegeten, aanzienlijk kleiner dan diegenen die op de onbehandelde bladeren knabbelden.

Isopreen zelf is niet wat de insecten afschrikt. In plaats daarvan activeert isopreen een toename van jasmonzuur, een molecuul dat het vermogen van een insect om eiwitten te verteren vermindert en hun groei vertraagt.

“De verdediging was niet isopreen zelf, maar de consequentie van wat isopreen met de plant deed,” zei Sharkey.

Ontdekking van isopreen genen in soja

Tot voor kort dachten wetenschappers dat gewassen zoals soja en maïs geen isopreen produceerden omdat deze eigenschap door evolutie verloren was gegaan. Toen, in 2022, ontdekten onderzoekers twee intacte isopreen synthase, of ISPS, genen in soja. Sharkey besloot te experimenteren of omgevingsstress de slapende ISPS genen kon activeren.

Om deze vraag te testen, plaatsten ze klemmen op de sojabladeren en beschadigden ze. De bladeren reageerden met een kleine uitbarsting van isopreen. Sharkey zei dat dit betekent dat soja het beste van twee werelden heeft—ze kunnen isopreen maken wanneer dat nodig is, maar kunnen het proces onder normale omstandigheden uitschakelen.

Meer onderzoek is nodig om te bepalen hoe deze eigenschap soja beschermt tegen stressfactoren, evenals of de productie van isopreen wordt geactiveerd door extreme hitte. Sharkey maakt zich zorgen over de potentiële impact van soja op de atmosfeer als ze isopreen aanmaken tijdens steeds frequentere hittegolven.

“Wat me het meest drijft, is dat ik denk dat we deze grote zaken moeten begrijpen,” zei Sharkey. “Isopreen is de grootste bron van koolwaterstoffen in de atmosfeer. We moeten het begrijpen.”