NIOZ nieuws | Kleine stapjes, grote sprongen – hoe helmgras duinen bouwt

~~~for english scroll down ~~~

Aan de kust is het lastig overleven voor een plant door het zout en de inslaande golven. Helmgrassen hebben daar een speciaal overlevingsmechanisme voor: door stuivend zand op te vangen bouwt de plant een duin, waardoor deze uiteindelijk ontsnapt aan de invloeden van de zee.

Maar hoe kan het dat ons eigen Europees helmgras 15 meter hoge duinen bouwt, terwijl zijn Amerikaanse tegenhanger niet boven de 6 meter uitkomt? Dat vroegen de onderzoekers, waaronder Valérie Reijers, promovenda aan de Radboud Universiteit, zich af. Ze bekeken hoe Europese en Amerikaanse helmgrassen groeien aan de kust op respectievelijk Schiermonnikoog en in North Carolina.

‘Bewegende’ planten vormen het landschap
‘Helmgras vormt ondergronds wortelstokken waaraan vervolgens weer nieuwe scheuten kunnen groeien. Europees helmgras blijkt een specifieke strategie te hebben waarbij het met korte wortelstokken nieuwe scheuten meestal vlakbij de oude plaatst, maar zo nu en dan ook een lange ondergrondse uitloper maakt. Dit opvallende bewegingspatroon is in de biologie eerder aangetoond bij mossels, albatrossen, haaien, bacteriën en zelfs de mens’, zegt Valérie Reijers, eerste auteur van het artikel.

Tijdens het zoeken naar voedsel bewegen veel dieren in de natuur volgens een willekeurig patroon waarbij kleine bewegingen afgewisseld worden met lange verplaatsingen, de zogenaamde Lévy-beweging. Reijers: ‘Het is een soort wetmatigheid die ontstaan is bij verschillende organismen. Het is bijzonder dat deze ‘beweging’ blijkbaar ook voorkomt bij planten en zo bepalend is voor de manier waarop ze hun landschap bouwen.’

Door een Lévy-beweging kan Europees helmgras op de meest efficiënte manier zoveel mogelijk stuivend zand invangen met een minimale investering in het ondergrondse wortelnetwerk. Amerikaans helmgras vangt meer zand in door verspreid te groeien, maar dit kost veel meer energie doordat de wortelstokken onder de grond een veel grotere afstand moeten afleggen. Dit leidt tot een lager en breder duin.

Zelfherstellende duinen
Kustlandschappen zijn heel belangrijk – ze vormen de leefomgeving voor veel dier- en plantensoorten, leggen koolstofdioxide vast in de bodem en misschien nog wel het belangrijkste: ze remmen of breken golven tijdens stormvloeden. ‘Natuurlijke kustlandschappen zoals kwelders en duinen nemen wereldwijd af’, aldus Tjisse van der Heide, onderzoeker aan het NIOZ en hoogleraar Kustecologie aan de Rijksuniversiteit Groningen.

‘Pogingen om die landschappen te herstellen zijn vaak onsuccesvol. Voordat de planten zich kunnen verankeren in de bodem en slib of zand in kunnen vangen, worden ze al vaak eruit geslagen door golven. Nu we weten hoe kustplanten zich in de natuur ruimtelijk organiseren, is de volgende stap om deze bevindingen toe te passen bij herstelprojecten om die vestigingsdrempel te overbruggen’, zegt van der Heide.

Small steps, big leaps – how marram grass builds dunes

The size and shape of dunes varies greatly around the world: in Europe they're tall and narrow, while in the US they're low and wide. A new study has found that this is partly because dunes are constructed by plants with different ‘movement strategies’ determining the shape of the dune. The study was carried out by ecologists from Radboud University, the Royal Netherlands Institute for Sea Research (NIOZ) and the University of Groningen. The findings, which will be published in Nature Communications on 14 June, could be useful for coastal landscape rehabilitation projects. 

The coastline is a difficult place for plants to survive, thanks to all the salt and crashing waves. Marram grasses have a special survival mechanism to cope with this: they catch drifting sand and build a dune, which enables them to eventually escape the effects of the sea.

But why is it that our European marram grass constructs 15-metre dunes, while its American counterpart doesn’t get higher than 6 metres? That was the question that researchers, including Valérie Reijers, a PhD candidate at Radboud University, wanted to answer. They looked at how European and American marram grasses grow along the coast of Schiermonnikoog and in North Carolina.

‘Moving’ plants create the landscape
“Marram grasses create underground rootstocks which can develop new shoots. European marram grass appears to have a specific strategy in which short rootstocks create new shoots close to the older one, but occasionally there will be a long underground runner. This striking pattern of movement has previously been identified in other organisms, including mussels, albatrosses, sharks, bacteria and even humans,” says Valérie Reijers, lead author of the article.

When searching for food, many animals move in a random pattern in which small movements alternate with a significant relocation, known as Lévy movements. “It’s a sort of natural law that has emerged in different organisms,” says Reijers. “It’s striking that these ‘movements’ apparently also exist in plants and are so significant to the way in which they construct their landscape.” 

The use of Lévy movement enables European marram grass to capture a lot of drifting sand, in the most efficient way, with a minimal investment in its underground root network. American marram grass captures more sand by growing in a dispersed way, but this requires much more energy because the underground rootstocks have to travel a much greater distance. This results in a lower and wider dune.

Self-regenerating dunes
Coastal landscapes are very important – they provide a habitat for many plant and animal species, capture CO2 in the soil and, perhaps most importantly of all, they slow or break waves during storm surges. “Natural coastal landscapes such as salt marshes and dunes are declining around the world,” says Tjisse van der Heide, a researcher at NIOZ and professor of coastal ecology at the University of Groningen.
“Attempts to restore these landscapes are often unsuccessful. Plants are often uprooted by waves before they can establish themselves and capture any silt or sand. Now that we understand the spatial organisation of coastal plants, the next step is to apply these findings to regeneration projects so that we can help plants get established,” says van der Heide. 

Publicatie

‘A Lévy expansion strategy optimizes early dune building by beach grasses’, Valérie C. Reijers et al,  Nature Communications. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-10699-8

Valérie Reijers promoveert op 4 juli op haar proefschrift ‘A Song of Sand and Mud:  How plant-mediated feedbacks dictate landscape formation and dynamics of barrier islands’. Meer informatie (link: https://www.ru.nl/nieuws-agenda/agenda/promoties/@1214141/song-sand-and-mud/)