Oeroude evolutionaire innovatie maakte samenwerking tussen planten en stikstofbindende bacteriën mogelijk

10 juni 2014

Bijen bestuiven planten in ruil voor nectar, mieren beschermen bomen in ruil voor huisvesting, zelfs onze lichamen huisvesten microbiële partners die ons helpen ons voedsel te verteren. Deze samenwerkingsverbanden, mutualismen, liggen ten grondslag aan de biodiversiteit van onze planeet. Een internationaal team van wetenschappers, geleid door onderzoekers van de Vrije Universiteit, verklaart in Nature Communications hoe de oeroude geschiedenis van deze samenwerkingsverbanden nagebootst kan worden en hoe daarmee belangrijke gebeurtenissen in de evolutie van zulke mutualismen gevonden kunnen worden. Dit onderzoek werd gefinancierd door een Vidi-beurs van NWO.

Planten hebben stikstof nodig om te overleven. De atmosfeer bestaat grotendeels uit stikstof, maar planten kunnen dat onmogelijk binden zonder hulp. Maar ze zijn wel goed in het produceren van suiker. Vandaar het mutualistische samenwerkingsverband: planten huisvesten en voeden de bacteriën (rhizobia), in ruil daarvoor geven de bacteriën stikstof die ze binden uit de lucht aan de planten.

Samenwerking niet in alle planten

Maar waarom kunnen niet alle planten samenwerken met deze bacteriën? Door de eerste volledige evolutionaire reconstructie te maken van de geschiedenis van dit mutualisme, wilden de onderzoekers deze vraag beantwoorden. VU-promovendus Gijsbert Werner, eerste auteur van het artikel: 'Het is heel handig een stikstof-producerende fabriek in je wortels te hebben, dus het is altijd een raadsel geweest waarom de symbiose niet meer voorkomt. We hebben nu eindelijk de methodes om deze vraag te beantwoorden.'

 

 

Vicia_lutea Gele wikke EuanJamesStikstofbindende bacteriën leven in symbiose met hun gastheerplant (hier: Gele wikke) en leven in knolletjes aan de wortels © Euan James

Een oeroude innovatie maakte de symbiose mogelijk

De VU-wetenschappers gebruikten een nieuw ontwikkelde wiskundige analysemethode om de 'diepe' geschiedenis van de stikstofbindende symbiose te reconstrueren. Hoogleraar Mutualistische Interacties Toby Kiers licht toe: 'Het was als zoeken naar een naald in een hooiberg, maar met deze techniek en een nieuwe reusachtige database, konden we heel precies vinden dat één enkele innovatie, meer dan 100 miljoen jaar geleden, symbiotische stikstofbinding mogelijk maakte.' Co-auteur William Cornwell, ook van de VU: 'Na deze innovatie kon de symbiose zich ontwikkelen en meerdere keren ontstaan in plantensoorten die daarna evolueerden'.

Nagaan van de evolutionaire geschiedenis van complexe eigenschappen

De onderzoekers vonden meer bijzonderheden over de complexe geschiedenis van de symbiose. Bijvoorbeeld, in sommige planten is de samenwerking uitzonderlijk stabiel, terwijl die in andere makkelijk verloren gaat. Zij vonden ook dat planten zonder de oeroude innovatie nooit in staat zijn de symbiose te vormen. Gijsbert Werner: 'Met reconstructies als deze kunnen we letterlijk honderden miljoenen jaren terugkijken, en vaststellen wat de cruciale stappen waren in de evolutie van complexe eigenschappen.'

Mimosa_pudica Kruidjeroermeniet_EuanJamesStikstofbindende bacteriën leven in symbiose met hun gastheerplant (hier: Kruidje-roer-mij-niet) en leven in knolletjes aan de wortels © Euan James

Belangrijkste symbiose ter wereld

Deze ontdekkingen zijn belangrijk omdat de symbiose cruciaal is voor de stikstofvoorziening van veel eco- en landbouwsystemen. William Cornwell: 'De evolutie van de stikstofbindende symbiose in planten heeft de stikstofkringlopen op onze planeet volstrekt veranderd. Zonder deze gebeurtenis had onze wereld er heel anders uitgezien.'

Duurzame gewassen maken?

Een oud streven in de landbouw is het overbrengen van het stikstofbindende samenwerkingsverband naar andere gewassen die dat nu niet kunnen, zoals maïs en graan. Dit nieuwe onderzoek is een belangrijke stap om te bepalen of en hoe dat mogelijk is. De onderzoekers ontdekten dat geen van de belangrijke graangewassen aanleg heeft om de symbiose te ontwikkelen. Dat betekent dat deze overdracht waarschijnlijk moeilijk gaat worden voor de genetische mechanismen die die aanleg mogelijk maken.

De onderzoekers gaan hun evolutionaire reconstructie nu gebruiken om de onderliggende genetica van de symbiose beter te begrijpen. 'De geschiedenis is slechts een eerste stap: de grote vraag is wat die innovatie nu eigenlijk is', zegt Toby Kiers, 'Als we dat raadsel oplossen, komen we heel wat dichter bij het doel de symbiose over te brengen naar landbouwgewassen. Maar ik blijf nog sceptisch: het mooie van mutualismen is juist hun complexiteit, het is nooit simpel om partners te dwingen samen te werken'.


Bron: Vrije Universiteit Amsterdam