Een doorsnee maken van een plant zonder te snijden

Kijken met een magneet

Armeluisvoedsel wordt het smalend genoemd. Gierst, van oudsher veel verbouwd in bepaalde streken van India, heeft voor menig Indiër afgedaan. De tropenboeren zijn overgestapt op de teelt van maïs, een in hun ogen chiquer en moderner graangewas. Maar maïs is niet zo goed aangepast aan het droge klimaat als gierst. Hoe biedt de gierstplant de droogte het hoofd?

„Als je wilt volgen wat er in een plant gebeurt, is er maar één methode: snijden. Daardoor leg je gelijk het transport van water en voedingsstoffen stil en stopt de groei. Met één experiment is het gebeurd met de gierst”, zegt biofysicus dr. H. van As van de Landbouw Universiteit Wageningen.

Gelukkig is hij niet alleen afhankelijk van mes en microscoop. Hij heeft de beschikking over NMR. Die beeldtechniek is een van de weinige methoden om in levende planten te kijken naar sapstromen „zonder dat er een mes aan te pas komt. De groei kan tijdens het experiment gewoon doorgaan. Je kunt heel mooi volgen hoe de gierst zich instelt op droogte”, noemt Van As het grote voordeel van de NMR-techniek.

Vingerafdruk
Een NMR-apparaat 'kijkt' naar atomen. Een magneet vormt het hart van de machine. Een NMR-meting levert een unieke 'vingerafdruk' op van molecuulstructuren en geeft zo informatie over de chemische samenstelling van vooral vloeibare monsters. Urine, hersenvloeistof, wijn, jus d'orange, het kan allemaal worden doorgelicht met magneten.

Maar ook gedetailleerde opnames van het menselijk lichaam en van planten zijn mogelijk. Daarvoor beperken medici en plantenkundigen zich tot één signaal van de NMR-meting, dat van water. De magneet kan water goed waarnemen omdat het in een enorme hoeveelheid voorkomt. Het menselijk lichaam bestaat voor 60 procent uit water en planten wel voor 90 procent. De verdeling en de hoeveelheid water in planten en lichaamsdelen levert een driedimensionaal beeld op: NMR-imaging of MRI.

Bankpasje
Om gierst en maïs te vergelijken, stoppen de Wageningse onderzoekers de planten in een 25 centimeter lange buis die tussen twee magneetpolen hangt. Het magneetveld is sterk genoeg om planten door te lichten, maar niet zo sterk dat het metaal aantrekt. Ter illustratie houdt Van As zijn bankpasje dicht bij het apparaat: „Daar gebeurt niets mee.”

Waar de stengel in de koker zit, moeten er wat zijtakken af, maar „we proberen er zo min mogelijk af te snijden.” De gewassen staan niet op een droogje. Ze mogen eerst een nacht 'wennen' in de klimaatkast die de NMR-magneet omhult. De wortels hangen in een voedingsoplossing, halogeenlampen zetten de bladeren in het zonnetje.

Van As: „De volgende dag stellen we de planten bloot aan droogte en kijken we met NMR hoe ze daarop reageren.” In een paar seconden produceert het apparaat de doorsnee van een stengel, met een nauwkeurigheid van 128 bij 128 beeldpunten. Met het meten van de waterverdeling is een paar minuten gemoeid. Een experiment dat de transportsnelheid vaststelt, kost een kwartier.

Aanpassingen
De NMR-metingen lieten zien dat een gierstplant bij droogte het watertransport aanpast. „Hij stuurt het water naar de plaats waar vocht het hardst nodig is, naar kritische punten zoals de groeiende delen en het blad. De plant blijft er redelijk goed uitzien. Een maïsplant kent die aanpassingen niet. Het water gaat in de hele plant minder hard stromen, bij de groeipunten stopt de groei en aan de randen van de bladeren sterft zelfs weefsel af. Na een dag forse droogte was de plant dood, in tegenstelling tot gierst.”

De Wageningse biofysicus denkt een verklaring te hebben voor de aanpassing van het watertransport. „Nog niet zo lang is bekend dat eiwitten in de wand van plantencellen bij droogte extra waterkanaaltjes vormen, om zo het watertransport tussen de cellen te verbeteren. Ik denk dat we die met NMR kunnen waarnemen.”

Een nieuw, krachtiger NMR-apparaat gaat de onderzoekers daarbij helpen. Vorig jaar kreeg het Wageningse NMR-centrum daar Europees geld voor. De magneet in de nieuwe machine is zes keer sterker dan die in het huidige apparaat. Dwarsdoorsnedes van planten kunnen daarmee 36 maal gevoeliger worden gemeten. „We kunnen dan behalve naar water ook kijken naar transport van suikers of de energiehuishouding binnen weefsels.”

Niet alleen in kracht overtreft de toekomstige NMR de huidige, maar ook in grootte. Hij krijgt daarom een nieuwe behuizing. Dezer dagen gaat de bouw van start. Acht meter hoog wordt het onderkomen. Een boom moet er volgens Van As in passen: het apparaat zelf is 3 meter hoog en staat op poten van 2,5 meter. Erboven kan de boom ook nog eens 1,5 meter uitsteken. „Een liaan van 7 meter is dus geen probleem. En wat ook een groot voordeel is: de zijtakken hoeven er niet meer af, want in de nieuwe meetspoel zitten aan de zijkant uitsparingen.”

Koud
In Zeist, bij TNO Voeding, staat een NMR-machine, die echter in niets lijkt op zijn Wageningse broer. Met een meter hoogte en een halve meter doorsnee is de glimmende metalen cilinder vele malen groter dan de magneet van de Landbouw Universiteit. Binnen is het koud, met een temperatuur van 270 graden Celsius onder nul. Daar zorgt vloeibaar helium voor. De vloeistof koelt een draad van een speciaal materiaal, een supergeleider. Die laat bij een lage temperatuur een zeer sterke elektrische stroom passeren, waardoor een krachtig magnetisch veld wordt opgewekt.

Dat de Zeister NMR het ook wint in magneetkracht, blijkt uit het beeldscherm naast het apparaat. De letters daarop buigen sterk af in de richting van de cilinder. Ook een paperclip voelt zich aangetrokken door het magneetveld; het stukje metaal hangt horizontaal aan een draad in de lucht en zou naar de machine 'vliegen' als het niet stevig verankerd zat.

Monsters die in de NMR-machine verdwijnen, hebben echter niets te lijden van hun verblijf in het sterke magneetveld. „Dat is juist de kracht van de techniek”, benadrukt dr. A. C. Tas, productmanager bij TNO Voeding. Zijn afdeling controleert met NMR onder meer de samenstelling van voedingsmiddelen. Sinaasappelsap, eieren, wijn, met de magneet is precies op te sporen welke verontreinigingen er in zitten. De vloeistoffen verdwijnen in glazen buisjes in het binnenste van de magneet. Na een klein halfuur verschijnt er een patroon met pieken op een beeldscherm.

Blote oog
Bij zuivere stoffen kan een geoefend oog snel zien om welke stof het gaat, maar een mengsel zoals sinaasappelsap levert een grasveld aan pieken op. Tas: „Met het blote oog red je het dan niet meer. Voor het opsporen van hele kleine verschillen in de piekenpatronen gebruiken we een computerprogramma. Dan is snel duidelijk of jus d'orange voldoet aan de kwaliteitseisen, of dat de fabrikant ermee geknoeid heeft. Hij doet er bijvoorbeeld wat extra water bij, voegt geur- en smaakstoffen en extra suiker toe. Ook kun je aan de pieken zien of er stoffen uit de schil in het sap zitten, als de sinaasappels te ver zijn uitgeperst.”

Groeiende interesse voor NMR is er vanuit de farmaceutische industrie en de geneeskunde. Fabrikanten willen de zuiverheid van hun geneesmiddelen weten. Met NMR zijn verontreinigen van minder dan 0,1 procent aan te tonen. Ook willen ze meten hoe lang een middel in het lichaam blijft, en in welke vorm het wordt uitgescheiden in de urine. NMR-metingen van urine geven ook een goed beeld van het verloop van een ziekte, bijvoorbeeld multiple sclerose (MS). Steeds vaker verdwijnen daarom bloed- en urinemonsters in de magneet.

De magneet blijkt ook een goede 'wijnproever' te zijn. „We hebben Rieslingwijn uit Duitsland in het apparaat gehad. De piekenpatronen van wijnen uit verschillende gebieden vertonen duidelijk verschillen”, zegt Tas. Overigens hebben wijnboeren nog niet veel belangstelling voor moderne analysetechnieken. „Ze snuiven en proeven liever.”