Hier zal eerst kort een uitleg worden gegeven hoe de wortel groeit met een paar noodzakelijke fysiologische aspecten. Vervolgens zullen twee modellen voor de werking van gravitropie uiteengezet worden en tenslotte zal de werking van gravitatiesimulatoren aan de orde komen. Ook zit aan het eind een korte verklarende woordenlijst bijgevoegd

De worteltop kent van boven naar beneden vijf zones (zie fig 4.1):

• de specialisatie-zone
• de celstrekking-zone
• de celgroei-zone
• de celdelings-zone (meristeem)
• de wortelkap, laatste 0,5-1,0 mm

Er zijn drie soorten transport die belangrijk zijn voor ons onderzoek (fig 4.2):

Als een wortel naar beneden groeit en alle omstandigheden aan alle kanten zijn gelijk, zal de wortel geen enkele stimulus krijgen om zijn koers te wijzigen. Dit is echter niet altijd het geval; zo wil een wortel recht naar beneden en (meestal) naar het water toe groeien, en om een steentje heen kunnen groeien. Dus er zijn verschillende factoren die de richting van de wortelgroei bepalen:

• de zwaartekracht (gravitropie)
• ‘mechanische’ weerstand (thigmotropie)
• vochtigheidsverschillen (hydrotropie)
• potentiaalverschillen (elektrotropie)

Bij al deze factoren blijkt de wortelkap en vooral het midden daarvan, de columella, een belangrijke rol te spelen. De temperatuur, vochtigheid, pH, [O₂] en verschillende ionen beïnvloeden de gevoeligheid van wortels voor stimuli. Bij een hogere temperatuur is de gevoeligheid van een plant voor de zwaartekracht beduidend lager.

Dit onderzoek gaat zoals gezegd alleen over de gravitropie, dus het naar benden willen groeien van een wortel. Als een wortel die horizontaal wordt gelegd, zal zich dus zoveel mogelijk naar de zwaartekracht willen richten. Het verschil tussen de boven- en onderkant t.o.v de zwaartekracht zal dus steeds kleiner worden. De wortel zal zich dus naar de zwaartekracht richten totdat de stimulus veroorzaakt door de zwaartekracht niet sterk genoeg meer is om de wortel van richting te doen veranderen. De uiteindelijke hoek tussen de wortel en het aardoppervlak wordt de liminal angle genoemd (zie fig 4.3). Op aarde is deze liminal angle vrijwel 90 C, wat evolutionair gezien heel logisch is, maar bij lagere (gesimuleerde) zwaartekrachten - micrograviteit - zal deze hoek kleiner dan 90 zijn. (Aanvankelijk werd er echter gedacht dat er bij 1G ook een liminal angle kleiner dan 90 zou ontstaan, die steeds groter werd als we de gesimuleerde zwaartekracht opvoerde (hypergraviteit). Hierdoor was de aanpak van het experiment bij aanvang verkeerd. Zie hoofdstuk 6.)

Een verschijnsel waarmee ook rekening gehouden moet worden bij het onderzoeken van gravitropie zijn de zogenaamde oscillaties die bij sommige plantentypes voorkomen. Oscillaties, fig 4.4, in wortels worden gezien als feedback-correcties op hun liminal angles. Bij maïs bijv., moet de hoek die een wortel maakt met de zwaartekrachtsverctor groter zijn dan de hoek die oscillaties hebben (10 ) om een gravitropische reactie te veroorzaken. Bij het onderzoek naar de liminal angle, wordt een verticale wortel horizontaal gelegd; hierdoor kan de groeirichting dus beïnvloed worden door de oscillatie die aan de gang was. Oscillaties worden trouwens niet beïnvloed door de zwaartekracht.

Hier is men eigenlijk helemaal nog niet uit; het grootste gedeelte omtrent de werking blijft giswerk, helaas zijn maar enkele min of meer zeker. De buiging wordt in ieder geval veroorzaakt door verschil in groei tussen de boven- en onderkant van de wortel. Men heeft vastgesteld dat de buigingszone cellen beslaat in het gebied tussen het deelweefsel en de celstreekingszone. De buiging begint bij de celgroeizone en verspreid zich naar de celstrekkingszone.

De wortelkap is noodzakelijk voor de gravitropie, waarschijnlijk wordt daar de zwaartekracht waargenomen. Er is dus een signaalverbinding nodig tussen wortelkap en buigingszone. Voor een klein deel gebeurt het waarnemen van zwaartekracht waarschijnlijk ook in de buigingszone zelf.

Voor het waarnemen van de zwaartekracht, het transport van de signalen en de invloed van de signalen zijn verschillende theorieën en legio potentiële essentiële stoffen. Hier zullen twee modellen besproken worden, met de belangrijkste stoffen die waarschijnlijk met gravitropie te maken hebben: auxine en statolieten.

Bij dit model wordt er van uitgegaan dat de wortelkap het zwaartekracht-waarnemend orgaan is die op eenzelfde wijze werkt als het evenwichtsorgaan bij dieren.

De wortels van de meeste planten hebben namelijk relatief grote zetmeelkorrels met een grote dichtheid (gevoeliger voor zwaartekracht), die in amyloplasten verpakt zitten. Deze amyloplasten sedimenteren namelijk in de columellacellen op de onderste celwand tijdens het toedienen van een zwaartekrachtstimulus naar beneden. Deze gesedimenteerde amyloplasten zouden dan contact maken met het plasmalemma en daar druk op uitoefenen. Deze fysieke stimulus (de receptie van de zwaartekracht) wordt dan op een of andere manier omgezet in een fysiologische respons (de perceptie), die leidt tot een groeiverschil tussen de boven- en onderkant van de worteltop.

Dit meer uitgewerkte en geraffineerdere model is gebaseerd op het groeihormoon auxine, in dit geval IAA, dat volgens de meeste experts bijna zeker een sleutelrol speelt bij gravitropie.

Bij dit model wordt de zwaartekracht waargenomen door mechanogevoelige eiwitten, die verschillen in druk ‘meten’, in de grens tussen de wand en het plasmalemma in cellen van het epiderm. Deze mechanogevoelige eiwitten activeren weer eiwitten in het membraan die op hun beurt weer calciumkanalen in het plasmalemma openen. Hierdoor kan er Ca²⁺, dat in de vrije ruimtes of de celwand zat, in het cytoplasma komen. Dit Ca²⁺ wordt dan gebonden door calmodulin en activeert dan IAA-permeasen in het membraan, die actief IAA van het cytoplasma naar de celwand transporteren.

Het IAA kan twee uitwerkingen hebben. In lage concentraties stimuleert het celstrekking en in hogere concentraties inhibeert het celstrekking. Het IAA stuurt namelijk proton-pompen aan in het plasmalemma. Deze pompen laten H+ vrij in de celwand, waardoor de pH daalt en de celwand wordt losser bij een lagere pH, waardoor de cel meer kan strekken. Hoe de dosis-respons-curve van IAA loopt (zie fig 4.6) hangt sterk af van het type cel; In stengels bevordert IAA meestal de celstrekking, terwijl wortelcellen veel gevoeliger zijn voor IAA, waardoor de concentratie snel inhiberend wordt. Echter, ook sommige organen in de wortel zijn niet zo gevoelig voor IAA en wel het epiderm en bijvoorbeeld de wortelkap.

Maar wat gebeurt er dus wanneer een wortel horizontaal wordt gelegd? De druk zal onder in de wortel groter zijn dan bovenin (zie fig 4.7). Onder zal er dus een grotere druk worden waargenomen door de mechanogevoelige eiwitten. Hierdoor zal er dus via het zonet beschreven mechanisme dus meer Ca²⁺ vanuit de celwanden en vrije ruimtes in de onderste cellen van het epiderm komen dan in de bovenste. Hierdoor wordt er beneden IAA actief getransporteerd naar het celwandennetwerk. Doordat er dus in de cellen van het epiderm beneden een ‘onderdruk’ aan IAA ontstaat (fig 4.8), zal er dus een IAA-stroom vanuit de wortel op gang komen. Hierdoor zal de IAA-concentratie al snel inhiberend worden voor de celstrekking in de onderkant van de wortel. Dus zal de wortel naar beneden krommen, aangezien de onderkant langzamer groeit dan de bovenkant.

Waarschijnlijk zal uit het vorige opgemaakt zijn dat IAA in de wortelkap wordt gemaakt, dit is echter niet zo. Men weet niet waar het precies vandaan komt, maar het wordt in ieder geval acropetaal via het floeëm aangevoerd naar de wortelkap. In de wortelkap wordt het IAA symplastisch, eerst acropetaal dan lateraal verspreid. Het IAA wordt dan vanuit de wortelkap, basipetaal, symplastisch naar de groeizone verspreid.

Dit model heeft de voorkeur boven het andere, omdat er voor de waarneming van zwaartekracht geen verplaatsing van kleine stoffen nodig is, zoals bij het statoliet-model. Dit komt overeen met de relatief snelle reactie van wortels op een zwaartekrachtstimulus. Dit model lijkt ons ook waarschijnlijker door de uitkomsten van veel voorgaande experimenten en zal dus gehanteerd worden.

Zwaartekracht-simulatoren, zoals er voor dit onderzoek gebruikt zullen worden, berusten op de centrifugale kracht, die ontstaat bij het ronddraaien van een systeem (zie fig 4.9). Deze centrifugale kracht, de gesimuleerde zwaartekracht, berust op de traagheid van massa i.t.t. de echte zwaartekracht die berust op de aantrekking van twee massa’s.

De werking zal met twee voorbeelden verduidelijkt worden:

Stoffen met een hogere dichtheid hebben een grotere traagheid dan stoffen met een kleine dichtheid. Mogelijke statolieten in wortelcellen hebben een hogere dichtheid dan het cytoplasma. Hierdoor hebben ze een grotere traagheid, waardoor ze naar de wand worden geduwd, of beter gezegd, het meest in hun snelheidsbaan blijven, waardoor ze tegen de wand aankomen.

De druk in een horizontaal gelegde wortel op aarde is onder groter als boven. In een centrifuge zal dit dus ook het geval zijn. De ‘onderkant’ moet namelijk de hele wortel, die eigenlijk rechtdoor zou willen gaan, in zijn baan houden, terwijl de ‘bovenkant’ eigenlijk niets in zijn baan moet houden. Deze kracht die de onderkant zelf uitoefent om de wortel in zijn baan te houden kan gezien worden als een soort normaalkracht, het is de reactiekracht hiervan die hij voelt.

Bij centrifuges op aarde moet dus ook rekening gehouden worden met de zwaartekracht-vector van de aarde zelf. De resulterende ‘zwaartekracht’ valt gemakkelijk met vectoren uit te rekenen (fig 4.10).

De gesimuleerde zwaartekracht zullen we verder in dit verslag versnelling of G-vector noemen en in aantal G (zwaartekracht aarde, 9,8 m/s²) uitdrukken

Apoplastisch transport: transport via de celwanden en intercellulaire holtes. Dus ook het transport in floeëm

Plasmalemma: buitenste laag cytoplasma dat tegen membraan aanzit

Symplastisch transport: transport in het cytoplasma. Tussen cellen onderling gebeurt dit door kleine poriën in celwanden, die plasmodesmata worden genoemd. In deze plasmodesmata kunnen kanaaltjes open en dicht. (Het membraan loopt door tussen de cellen)