Glow-in-the dark Petunia

Ah, denk je misschien, dat is leuk voor de slaapkamer van mijn kinderen. Een paar glow-in-the-dark petunia's. Maar als je dat denkt, heb je het mis, want deze planten zijn echte petunia's.
Petunia's zijn onlangs genetisch gemanipuleerd om een neongroene tint te produceren, dankzij de toevoeging van DNA van Neonothopanus nambi, een lichtgevende (en giftige) paddenstoel die aangetroffen wordt in de tropische regenwouden van Australië, Maleisië, Zuid-Amerika en Centraal-America. Overdag heeft de paddenstoel een onopvallende bruine kleur. 's Nachts gloeit hij spookachtig groen.

“We maakten gebruik van een natuurlijk systeem dat is 'geleend' van een paddenstoel, die normaal gesproken in de tropische oerwouden voorkomt, en hebben dit op de planten overgebracht”, legt Karen Sarkisya uit, medeoprichter van het in Amerika gevestigde biotechbedrijf Light Bio. Het bedrijf kreeg onlangs toestemming van het Amerikaanse Ministerie van Landbouw om zijn lichtgevende petunia's in de Verenigde Staten op de markt te brengen.

Er zijn ongeveer 1,500 bekende bioluminescente soorten, waaronder bacteriën, vissen, kwallen, wormen, amfibieën, geleedpotigen en paddenstoelen. Die bioluminescentie ontstaat op natuurlijke wijze wanneer zuurstof reageert met een stof genaamd luciferine en met behulp van een enzym genaamd luciferase, om energie te produceren in de vorm van licht.

Het bedrijf is van plan de planten al vanaf begin 2024 te gaan verkopen onder de naam Firefly Petunia.

Omdat alle planten de potentie hebben om uit jouw dierbare tuin te ontsnappen, zal het slechts een kwestie van tijd zijn voordat de glow-in-the-dark petunia's in het wild worden aangetroffen. Dat zal zeker je nacht opfleuren.

Zwarte petunia

Nee, zwarte bloemen bestaan niet en ook de zwarte petunia is een slechts cultivar die een dieppaarse kleur heeft. Toch is het een vreemd gezicht, want petunia's zijn in het algemeen vrolijke bloemen en zwart geeft toch een ietwat macaber gevoel.
Een zwarte petunia komt uiteraard niet in de natuur voor en is het resultaat van een min of meer natuurlijk kweekproces, waarbij kwekers experimenteerden met bestaande kleuren. Die kleur werd uiteindelijk gecreëerd door het combineren van anthocyanines, de pigmenten die de rode, paarse en blauwe kleuren in bloemen, groenten en fruit creëren. Deze zijn aanwezig in elk deel van de plant, inclusief de stengels, bladeren en wortels. Als je de bloemblaadjes tussen je duim en vinger fijn wrijft, zie je dat je vingertop (en duimtop) donkerpaars worden.

De zwarte petunia verscheen voor het eerst in Groot-Brittannië op de markt in 2010 onder de naam 'Black Velvet' met de verkoopkretologie: 'Black goes with everything'. De prijzen lagen in het eerste jaar tussen de £2 en £3 per plant.

Intussen zijn er meerdere aanbieders van de (bijna) zwarte petunia.

Ik vraag me af hoe een tuin er uit zal zien met alleen zwarte bloemen en ik stel me voor dat dit slechts in de smaak zal vallen bij een beperkt publiek. Het is natuurlijk wel een kleur die een perfect contrast oplevert. Een combinatie van witte petunia's met zwarte petunia's zou geweldig staan.

De zwarte petunia combineert ook heel goed met geel bloeiende planten. Ook kun je ze perfect combineren met donkerbladige planten zoals die van de zoete aardappel.

Hoe weet een petunia wanneer hij lekker moet ruiken?

Onderzoekers bestudeerden de vraag hoe de petunia's weten wanneer ze hun heerlijke, zoete geur moeten afgeven om insecten te lokken die de bloemen bestuiven.
Het team ontdekte een belangrijk gen dat bepaalt wanneer de petunia (Petunia hybrida) zijn geur afgeeft[1]. Het gen, Late Elongated Hypocotyl - beter bekend onder de afkorting LHY - wordt in veel plantensoorten aangetroffen en is een belangrijk onderdeel van het 'circadiaan ritme' van de plant. Dat circadiaan ritme is een biologisch klok die gestuurd wordt door de zon. Daarom noemt men het ook wel een 24-uursritme of een slaap-waakritme.

Biologen weten al langer dat veel organismen, zoals planten, mensen en zelfs kleine bacteriën allemaal interne circadiane klokken hebben - genen die hun cellen gesynchroniseerd houden met de 24-uurs cyclus van het leven op aarde. Deze genen reguleren cellulaire activiteiten op basis van het tijdstip van de dag. Onderzoekers hadden eerder aangetoond dat LHY een onderdeel is van de circadiane klok in andere bloeiende planten, maar in het onderhavige onderzoek hebben biologen voor het eerst een verband gelegd tussen LHY-activiteit en bloemengeur.

De onderzoekers ontdekten dat het petunia-LHY-gen 's ochtends het meest actief is, juist op het tegenovergestelde tijdstip van de dag wanneer de petunia zijn heerlijke geur afgeeft. Ze veronderstelden dat de ochtendactiviteit van LHY de productie van geurende chemicaliën zou kunnen onderdrukken. Toen ze de activiteit van LHY in hun laboratorium wisten te verlengen, lieten de petunia's hun geurige chemicaliën helemaal niet vrij.

Ze ontdekten zelfs hoe LHY de geur remt: het grijpt in op de activiteit van ODO1, een ander gen van de petunia dat de productie en afgifte van bloemengeuren bevordert[2] Door de ODO1-activiteit vroeg op de dag te onderdrukken, stopt LHY de aanmaak van bloemengeuren. Wanneer het LHY-gen later op de dag minder actief wordt, is ODO1 in staat om de productie van de geurige chemicaliën op te voeren, net op tijd voor de afgifte van die heerlijke, zwoele geur in een warme zomeravond.

Daarna creëerden de onderzoekers een petunia met een verminderde activiteit van het LHY-gen. Daardoor produceerden deze planten hun heerlijke geur vier tot acht uur eerder op de dag. Dat gepruts met genen zorgt er natuurlijk wel voor dat de insecten dan niet actief zijn en de plant zich minder goed zal kunnen voortplanten.

[1] Fenske et al: Circadian clock gene LATE ELONGATED HYPOCOTYL directly regulates the timing of floral scent emission in Petunia in PNAS – 2022. Zie hier.
[2] Verdonk et al: ODORANT1 regulates fragrance biosynthesis in petunia flowers in Plant Cell - 2005

Mexicaanse petunia

Nee, de Mexicaanse petunia (Ruellia simplex) is geen echte petunia. Zijn wetenschappelijke naam is ook nogal aan veranderingen onderheving: hij is afwisselend in de boeken verschenen als Ruellia angustifolia, Ruellia brittoniana en Cryphiacanthus angustifolius. In de Verenigde Staten staat hij bekend als Mexican bluebell of Britton's petunia.
Deze soort is een groenblijvende vaste plant die tot bijna een meter hoog kan worden. Hij vormt 'kolonies' van stengels met lancetvormige bladeren die variëren in lengte van 15 tot 30 centimeter en dan zo'n één tot twee centimeter breed zijn. De Mexicaanse petunia bloeit met trompetvormige bloemen, die van nature metallic blauw tot paars van kleur zijn.

Het eerste deel van de wetenschappelijke naam, Ruellia, eert de Franse arts en botanist Jean Ruel of Jean Ruelle (1474-1537), die ook bekend stond onder diens gelatiniseerde naam Ioannes Ruellius. Hij was ooit bekend vanwege diens boekwerk 'De Natura Stirpium' (1537), waarin hij een groot aantal planten alfabetisch beschreef, iets wat nog nooit eerder was gedaan. Is zo'n boek prijzig, zo kun je je afvragen. Nou, dat valt (relatief) mee, want een eerste druk werd nog niet zo lang geleden (2013) verkocht voor US$ 3,000. Het tweede deel, simplex, komt uit het Latijn, waar het 'eenvoudig' betekende.

De Mexicaanse petunia is oorspronkelijk een bewoner Mexico, het Caribisch gebied en delen van Zuid-Amerika, waaronder westelijk Bolivia, zuidwestelijk Brazilië, Paraguay, Uruguay en noordoostelijk Argentinië. Het is vooral een plant van natte plaatsen zoals sloten, vijverkanten, meren en moerassen, maar kan ook in drogere omstandigheden overleven.

Omdat deze plant vaak als sierplant in Amerikaanse tuinen werd aangeplant, hoeft het voor ons geen verrassing te zijn dat hij daaruit vaak is ontsnapt. Het is intussen een wijdverbreide invasieve plant geworden in Florida, waar de soort waarschijnlijk al voor 1933 als sierplant werd geïntroduceerd. Ook in Australië, delen van Azië en diverse eilanden in de Stille Zuidzee zijn ze hem liever kwijt als rijk.

Op veel plaatsen is de Mexicaanse petunia zo invasief geworden dat hij dichte bosschages vormt waar verder niets meer kan groeien. Daardoor worden inheemse planten in soms zeer kwetsbare omgevingen verdrongen en zijn met uitsterven bedreigd.

Zijn petunia's verslavend?

De petunia's zijn, botanisch gezien, broertjes van de nicotiana's. Van de nicotiana's weten we dat ze bron zijn van tabak. De nicotine van de nicotiana's is een krachtige alkaloïde die, zoals altijd, bedoeld is om vraatschade te beperken. Het is dus niet zo gek om te veronderstellen dat ook petunia's eenzelfde manier hebben ontwikkelend om zichzelf te beschermen tegen de vraatzucht van planteneters.
Zo op het eerste gezicht klopt dat idee. Zelfs Wikipedia meldt hier dat ooit (of ergens) gerapporteerd is dat de Petunia violacea in Ecuador werd gebruikt als een hallucinerend middel, waar het bekend staat als shanín. Van deze drug wordt gemeld dat het sensaties van zweven en vliegen kan veroorzaken. Die effecten doen ons denken aan diverse Europese planten die ooit door heksen zouden worden gebruikt om te kunnen vliegen.

Maar we hadden hier al eerder gemeld dat wetenschappers er niet in geslaagd waren om potentiële kandidaten te identificeren. Geen alkaloïden betekent geen verslavende of hallucinerende werking.

Maar het idee van verslaving bleek toch te aantrekkelijk om los te laten. Op diverse sites, waar men drugsgebruik met een positieve blik bekijkt wordt toch een effect beschreven. Ik zal een melding op een verborgen forum even voor de lezer vertalen.

“Nadat ik gehoord had van de vermeende psychoactieve eigenschappen van petunia's en gezien hun naaste botanische verwanten, besloot mijn vriend thee te zetten van zes grote, diep paarse, fluweelachtige bloemen. Water werd gekookt, gehakte verse bloemen werden toegevoegd. Het water kreeg meteen een mooie donkerblauwe kleur. De vloeistof werd na een paar minuten gezeefd en de resulterende thee werd gedronken door mijn enthousiaste vriend die zich niet druk maakte om de smaak, die ietwat bloemig zou zijn. Binnen een half uur manifesteerden zich de effecten in de vorm van milde 'adrenalinestoten' die met tussenpozen van ongeveer vijf minuten kwamen. Mijn vriend merkte op dat het effect vergelijkbaar was met de effecten van yohimbe die ook dergelijke rushes veroorzaken. Mijn vriend merkte op dat het gevoel onaangenaam was en het gevoeld gaf alsof je ergens door schrok Hij ondervond ook wat sedatie op vanwege de thee en ging binnen 45 minuten na het drinken van de thee naar bed. Mijn vriend besloot zich af te trekken (zijn vriendin was de stad uit). Dit snode plan mislukte door de effecten van de thee. Hij viel in slaap en droomde woeste dromen”.

Hoe kunnen we die tegenstrijdige ervaringen met elkaar in overeenstemming brengen, zo zul je je op dit moment kunnen afvragen. Het antwoord is eenvoudig.

De sukkel heeft niet een aftreksel van een Argentijnse petunia (Petunia violacea) gebruikt, maar heeft zich kennelijk vergist. Hij moet per ongeluk de bloemen van de klimmende winde (Ipomoea violacea) hebben gebruikt[1]. Die lijken namelijk zeer veel op die van de petunia en daarvan weten we wel degelijk dat ze hallucinerende effecten hebben.

[1] Butler et al: Petunia violacea: hallucinogen or not? in ScienceDirect – 1981. Zie hier.

Petunia's en hun biologische klok

De biologische klok in de hersenen van zowel mensen als dieren is verantwoordelijk voor de regulatie van het zogenaamde circadiaan ritme (ook wel 24-uursritme of slaap-waakritme genoemd). Licht dat op het netvlies van de ogen valt wordt via speciale lichtgevoelige cellen naar de hersenen geleid. Daar wordt, gedurende de afwezigheid van daglicht, de aanmaak van het hormoon melatonine het waak-slaapritme gereguleerd.

Circadiaan verlopende functies vertonen een patroon dat dagelijks herhaald wordt. Het ritme wordt via de biologische klok functioneert onafhankelijk van omgevingsfactoren, zoals licht en temperatuur. De lichaamstemperatuur is een voorbeeld van een functie met een circadiaan ritme. In de late middag (ongeveer 6 uur voor het inslapen) is deze het hoogst, en 2 uur na het inslapen het laagst. Ook andere lichaamsfuncties vertonen een circadiaan ritme, waaronder afscheiding van bepaalde hormonen, hartritme, slaappatroon, volume van de urineblaas en de behoefte aan eten en drinken.
Maar, zo vroeger wetenschappers zich af, zouden planten ook een biologische klok hebben en daardoor ook een circadiaans ritme? Tijd voor onderzoek vonden ze en welke plant kun je daarvoor beter gebruiken dan de petunia[1].

De circadiane klok van de petunia blijkt omgevingssignalen te coördineren via interne processen, waaronder secundair metabolisme, groei, bloei en vluchtige emissie. Verschillende weefsels van de plant zijn gespecialiseerd in verschillende functies. Bloemblaadjes verbergen bijvoorbeeld de geslachtsorganen terwijl ze bestuivers aantrekken.

De onderzoekers analyseerden de structuur van de biologische klok van de bladeren en de bloedblaadjes van de petunia (Petunia x hybrida). Ze registreerden de expressie van 13 klokgenen onder licht:donker (LD) en constante duisternis (DD).

Bij een normaal dag- en nachtrite (licht:donker) bereikten klokgenen hun maximale expressie in de bladeren tijdens de lichte fase en de bloemblaadjes geurende de donkere periode. Onder constante duisternis werd maximale expressie vertraagd, vooral in bloemblaadjes.

Interessant was dat het ritmische patroon bleef bestaan in bladeren en bloemblaadjes bij zowel licht:donker als constante duisternis. Variatie in genexpressie verschilde wel tussen bladeren en bloemblaadjes, tijdstip van de dag en fotoperiode.

Uit de resultaten bleek dat petunia's een gespecialiseerde klok hadden voor zowel de bladeren als de bloemblaadjes. Toch knap van die petunia.

[1] Terry et al: Transcriptional Structure of Petunia Clock in Leaves and Petals in Genes – 2019.

Oorsprong van (illegale) oranje petunia's gevonden

In het voorjaar van 2017 werd er een wereldwijde terugroepactie georganiseerd voor petunia's met oranje bloemen. Dat leverde nogal wat schade op voor zaadhandelaren en tuincentra.

Die oranje petunia's waren geidentificeerd als planten die genetically engineered  waren, maar niet volgens de regels waren aangemeld. Illegaal op de markt gebracht derhalve.
Het bleek dat wetenschappers een enzym uit maïs, dihydroflavonol 4-reductase (DFR, A1), in de petunia's hadden ingebouwd. Dit enzym was ooit onderwerp van wetenschappelijk onderzoek om te bekijken of men planten pelargonidin kon laten produceren. Pelargonidin is een oranje kleurstof, een anthocyanidine. Diezelfde kleurstof is ook van nature aanwezig in aardbeien, cranberry's en – vreemd genoeg – kidneybonen.

Onderzoekers hebben alle op de markt verschenen oranje varieteiten nu grondig onderzocht[1]. Men kwam tot de conclusie dat de ultieme bron van deze genetically engineered petunia's in Duitsland lag toen daar in de jaren 80 van de vorige eeuw onderzoek aan werd gepleegd door het Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Keulen, gevolgd door veldproeven in de jaren 90[2]. Daarna werden er in Amerika ook nog veldproeven mee verricht.

In diverse laboratoria lagen dus nog zaden opgeslagen en de onderzoekers vermoeden dat door de vele fusies van onderzoeksinstituten en zaadbedrijven men simpelweg vergeten is dat er geen toestemming was gevraagd voor die prachtige oranjekleurende petunia's.

Europese en Amerikaanse autoriteiten beklemtonen dat er geen enkel gevaar bestaat voor negatieve gevolgen. Nu zeggen ambtenaren dat wel vaker en dus nemen we die conclusie maar met een flinke korrel zout.

[1] Haselmair-Gosch et al: Great Cause—Small Effect: Undeclared Genetically Engineered Orange Petunias Harbor an Inefficient Dihydroflavonol 4-Reductase in Frontiers of Plant Science – 2018. Zie hier.
[2] Meyer et al: A new petunia flower colour generated by transformation of a mutant with a maize gene in Nature - 1987