Elke eigenaar van een kamerplant weet dat veranderingen in de hoeveelheid water of zonlicht die een plant ontvangt, hem onder enorme stress kunnen brengen. Een stervende plant brengt een zekere teleurstelling met zich mee voor iedereen met groene vingers. 

Maar voor boeren die hun brood verdienen met het succesvol kweken van planten, en wiens gewassen honderden of duizenden mensen kunnen voeden, is de verwoesting van falende flora des te groter. Aangezien klimaatverandering op het punt staat om wereldwijd steeds onvoorspelbare weerpatronen te veroorzaken, kunnen gewassen onderhevig zijn aan extremere omgevingsomstandigheden zoals droogte, fluctuerende temperaturen, overstromingen en natuurbranden. 

Klimaatwetenschappers en voedselsysteemonderzoekers maken zich zorgen over de stress die klimaatverandering kan veroorzaken voor gewassen en de wereldwijde voedselzekerheid. In een ambitieus interdisciplinair project gefinancierd door het Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), David Des Marais, de Gale-assistent-professor in de afdeling Civiele en Milieutechniek aan het MIT, en Caroline Uhler, een universitair hoofddocent in de MIT Department of Electrical Engineering and Computer Science en het Institute for Data, Systems, and Society onderzoeken hoe plantengenen onder stress met elkaar communiceren. Hun onderzoeksresultaten kunnen worden gebruikt om planten beter bestand te maken tegen klimaatverandering.

Gewassen in de problemen

De reacties van planten op omgevingsstress zijn genregulerende netwerken, of GRN's, die de ontwikkeling en het gedrag van levende wezens sturen. Een GRN kan bestaan ​​uit duizenden genen en eiwitten die allemaal met elkaar communiceren. GRN's helpen een bepaalde cel, weefsel of organisme te reageren op veranderingen in de omgeving door bepaalde genen te signaleren om hun expressie in of uit te schakelen.

Zelfs schijnbaar kleine of kortdurende veranderingen in weerpatronen kunnen grote gevolgen hebben voor de gewasopbrengst en voedselzekerheid. Een omgevingstrigger, zoals een gebrek aan water tijdens een cruciale fase van de ontwikkeling van een plant, kan een gen aan- of uitzetten en zal waarschijnlijk vele anderen in het GRN treffen. Zonder water kan bijvoorbeeld een gen dat fotosynthese mogelijk maakt uitschakelen. Dit kan een domino-effect creëren, waarbij de genen die afhankelijk zijn van degenen die de fotosynthese reguleren, tot zwijgen worden gebracht en de cyclus doorgaat. Als gevolg hiervan kan de plant, wanneer de fotosynthese wordt stopgezet, andere nadelige bijwerkingen ervaren, zoals het niet langer kunnen reproduceren of verdedigen tegen ziekteverwekkers. De kettingreactie kan zelfs een plant doden voordat deze de kans krijgt om door een flinke regenbui nieuw leven in te blazen.

Des Marais zegt dat hij zou willen dat er een manier was om te voorkomen dat die genen in een dergelijke situatie volledig worden uitgeschakeld. Om dat te doen, zouden wetenschappers beter moeten begrijpen hoe gennetwerken precies reageren op verschillende omgevingstriggers. Licht brengen in dit moleculaire proces is precies wat hij wil doen in deze gezamenlijke onderzoeksinspanning.

Complexe problemen oplossen over disciplines heen

Ondanks hun cruciale belang zijn GRN's moeilijk te bestuderen omdat ze zo complex en onderling verbonden zijn. Om te begrijpen hoe een bepaald gen anderen beïnvloedt, moeten biologen gewoonlijk één gen het zwijgen opleggen en zien hoe de anderen in het netwerk reageren. 

Jarenlang hebben wetenschappers gestreefd naar een algoritme dat de enorme hoeveelheid informatie in GRN's zou kunnen synthetiseren om "juiste regulerende relaties tussen genen te identificeren", volgens een artikel uit 2019 in de Encyclopedie van bio-informatica en computationele biologie. 

"Een GRN kan worden gezien als een groot causaal netwerk, en om de effecten te begrijpen die het uitschakelen van één gen op alle andere genen heeft, moet je de causale relaties tussen de genen begrijpen", zegt Uhler. "Dit zijn precies het soort algoritmen dat mijn groep ontwikkelt."

Het project van Des Marais en Uhler heeft tot doel deze complexe communicatienetwerken te ontrafelen en te ontdekken hoe gewassen te kweken die beter bestand zijn tegen de toegenomen droogte, overstromingen en grillige weerspatronen die de klimaatverandering wereldwijd al veroorzaakt.

Naast klimaatverandering zal de wereld tegen 2050 70 procent meer voedsel nodig hebben om een ​​snelgroeiende bevolking te voeden. "Uitdagingen op het gebied van voedselsystemen kunnen niet individueel worden aangepakt in silo's van disciplines of thema's", zegt Greg Sixt, J-WAFS' onderzoeksmanager voor klimaat- en voedselsystemen. "Ze moeten worden aangepakt in een systeemcontext die de onderling verbonden aard van het voedselsysteem weerspiegelt."

Des Marais' achtergrond ligt in de biologie en die van Uhler in de statistiek. "Daves project met Caroline was in wezen experimenteel", zegt Renee J. Robins, uitvoerend directeur van J-WAFS. "Dit soort verkennend onderzoek is precies waar het J-WAFS seed-subsidieprogramma voor is."

Binnen genregulerende netwerken komen

Het werk van Des Marais en Uhler begint in een raamloze kelder op de campus van MIT, waar 300 genetisch identieke Brachypodium distachyon planten groeien in grote, temperatuurgecontroleerde kamers. De plant, die meer dan 30,000 genen bevat, is een goed model voor het bestuderen van belangrijke graangewassen zoals tarwe, gerst, maïs en gierst. Drie weken lang krijgen alle planten dezelfde temperatuur, vochtigheid, licht en water. Vervolgens wordt de helft langzaam van het water afgebouwd, waardoor droogte-achtige omstandigheden worden gesimuleerd.

Zes dagen na de gedwongen droogte hebben de planten duidelijk te lijden. Des Marais' PhD-student Jie Yun neemt weefsels van 50 gehydrateerde en 50 droge planten, bevriest ze in vloeibare stikstof om de metabolische activiteit onmiddellijk te stoppen, maalt ze tot een fijn poeder en scheidt het genetische materiaal chemisch. De genen van alle 100 monsters worden vervolgens gesequenced in een laboratorium aan de overkant van de straat.

Het team blijft achter met een spreadsheet met de 30,000 genen die in elk van de 100 planten werden gevonden op het moment dat ze werden ingevroren, en hoeveel exemplaren er waren. Uhler's promovendus Anastasiya Belyaeva voert de enorme spreadsheet in het computerprogramma dat ze heeft ontwikkeld en voert haar nieuwe algoritme uit. Binnen een paar uur kan de groep zien welke genen het meest actief waren in de ene toestand boven de andere, hoe de genen communiceerden en welke veranderingen bij anderen veroorzaakten. 

De methodologie legt belangrijke subtiliteiten vast die onderzoekers in staat zouden kunnen stellen om uiteindelijk genroutes te veranderen en meer veerkrachtige gewassen te veredelen. "Als je een plant blootstelt aan droogtestress, is het niet zo dat er een canonieke reactie is", zegt Des Marais. “Er zijn veel dingen aan de hand. Het zet dit fysiologische proces omhoog, dit naar beneden, dit was er eerder niet, en is nu plotseling aangezet.” 

Naast het onderzoek van Des Marais en Uhler heeft J-WAFS projecten op het gebied van voedsel en water gefinancierd van onderzoekers in 29 afdelingen van alle vijf MIT-scholen en van het MIT Schwarzman College of Computing. J-WAFS-seedbeurzen financieren doorgaans zeven tot acht nieuwe projecten per jaar.

“De beurzen zijn echt gericht op het katalyseren van nieuwe ideeën, het bieden van het soort ondersteuning [voor MIT-onderzoekers] om grenzen te verleggen, en ook om docenten binnen te halen die misschien een aantal interessante ideeën hebben die ze nog niet hebben toegepast op water- of voedselkwesties, ', zegt Robins. "Het is een manier voor onderzoekers over het hele instituut om hun ideeën toe te passen op water en voedsel."

Alison Gold is een student in het Graduate Program in Science Writing van het MIT.