Een bloemenweide bij Obermaiselstein (foto: Nikater/Wikimedia Commons).

Darwins "afschuwelijke mysterie" opgelost: hoe bloeiende planten vliegensvlug de wereld veroverden

Onderzoekers hebben een verklaring gevonden voor het feit dat bloeiende planten erg snel dominant zijn geworden in ecosystemen over heel de wereld, een probleem dat Charles Darwin een "afschuwelijk mysterie" genoemd heeft. Biologen hebben vastgesteld dat bloeiende planten kleine cellen hebben in vergelijking met de andere grote plantengroepen. Dat is mogelijk doordat hun genoom aanzienlijk gereduceerd is, en het laat hen toe efficiënter te werken. 

Bloeiende planten verschijnen pas op de aarde nadat niet-bloeiende planten als varens en naaldbomen de ecosystemen al honderden miljoenen jaren gedomineerd hadden. In een minimum van tijd worden de bloeiende planten evenwel dominant in de meeste ecosystemen, en de varens en mossen worden grotendeels teruggedrongen in de schaduw, de naaldbomen worden verbannen naar onvruchtbare gronden of onherbergzame klimaten als de taiga of het hooggebergte. 

Al meer dan 200 jaar vragen onderzoekers zich af wat de oorzaak is van de ongelooflijke diversiteit en het succes van de bloeiende planten, die de basis vormen van ons voedselsysteem, en die aan de basis liggen van een groot deel van diversiteit die we bij de dieren kennen. 

De laatste 30 jaar hebben onderzoekers aangetoond dat de bloeiende planten onovertroffen zijn als het op fotosynthese aankomt. Dat heeft hen toegelaten om sneller te groeien, en de strijd te winnen tegen de varens en naaldbomen die zo lang dominant waren geweest.  Het geheim van het metabolisch succes van de bloeiende planten zijn hun gespecialiseerde bladeren, die het transport van water en de opname van koolstofdioxide aan een hoger tempo mogelijk maken. 

Maar hoe konden de planten bladeren maken die in staat waren tot dergelijke hoge snelheden van verdamping en fotosynthese? Een nieuwe studie van de Amerikaanse biologen Kevin Simonin en Adam Roddy brengt nu een mechanisme aan dat dit mogelijk maakt. De onderzoekers vlooiden de literatuur uit naar relevante gegevens,  en stellen dat die vernieuwingen direct gelinkt zijn aan de grootte van het genoom - het geheel aan genetische gegevens - van de bloeiende planten.    

Witte sparren in de taiga in Alaska (foto: NOAA).

Kleinere genomen, kleinere cellen

Elke cel moet een kopie bevatten van het genoom van de plant, en dus laat een kleiner genoom de cel toe kleiner te zijn. En als cellen kleiner zijn, dan kunnen er meer cellen, zoals de cellen die gespecialiseerd zijn in het fotosynthetisch metabolisme en het transport van water en voedingsstoffen, in een bepaald volume samengepropt worden. Bovendien kan het afleveren van water en voedingsstoffen efficiënter gemaakt worden door de grootte van elke cel te verminderen. 

Door hun kleinere cellen, konden de bloeiende planten meer nerven en meer huidmondjes in hun bladeren proppen, en zo de productiviteit dichter bij het maximale potentieel brengen. En dat liet hen dan weer toe van sneller te groeien. 

De onderzoekers vergeleken honderden soorten, en ontdekten dat het inkrimpen van het genoom zo'n 140 miljoen jaar geleden begon, wat samenvalt met de verspreiding van de eerste bloeiende planten op aarde. "De bloeiende planten zijn de belangrijkste groep planten op aarde, en nu weten we eindelijk waarom ze zo succesvol zijn geweest", zo zeggen de auteurs.  

Nieuwe vragen

Het nieuwe onderzoek biedt een antwoord op een belangrijke vraag, maar het roept ook veel nieuwe vragen op.

Waarom waren bloeiende planten in staat om hun genoom meer in te krimpen dan ander planten? Van welke vernieuwingen in de structuur van het genoom hebben de bloeiende planten gebruik kunnen maken. Hoe hebben de varens en de naaldbomen uitsterving kunnen vermijden ondanks hun grote genomen en cellen?

Het is duidelijk dat de nieuwe studie een eerste aanzet is, en dat er nog heel wat onderzoek moet gebeuren voor alle stukjes van de puzzel zijn gevonden. Maar het beantwoorden van Darwins "afschuwelijke mysterie" is in elk geval begonnen.  

De studie van Kevin Simonin van San Francisco State University en Adam Roddy van de Yale University is gepubliceerd in het online-magazine "PLOS Biology".