Stikstof binden blijkt kwijtgeraakte kunde

Case

Stikstof binden blijkt kwijtgeraakte kunde

Vlinderbloemige gewassen zoals peulen en linzen kunnen op stikstofarme grond groeien zonder kunstmest, terwijl soorten uit verwante plantenfamilies dat niet kunnen.

Die eigenschap hebben de peulen niet specifiek verworven, maar de andere planten zijn hem verloren, ontdekte Vici-onderzoeker René Geurts van de Wageningen Universiteit. Met die conclusie zette hij het veld op zijn kop, en gaf hij een draai aan de ontwikkeling van landbouwgewassen die niet bemest hoeven te worden.

Nodule_section - foto: René GeurtsNodule_section - foto: René Geurts

‘Planten zijn niet in staat om moleculaire stikstof (N2) uit de lucht op te breken en te gebruiken voor het maken van ammonium,’ vertelt René Geurts. ‘Omdat de twee stikstofatomen met een drievoudige binding aan elkaar zitten, kost het erg veel energie om ze uit elkaar te halen. En dat terwijl stikstof een van de belangrijkste bestanddelen is van de aminozuren waar eiwitten uit bestaan.’ Zogeheten vlinderbloemige, eiwitrijke planten zoals peulen, linzen, bonen, erwten of soja, hebben daar een slimme oplossing voor bedacht: ze werken samen met rhizobiumbacteriën. De planten maken speciale orgaantjes, zogeheten wortelknolletjes, waarmee ze die bacteriën kunnen opnemen in hun eigen cellen. De bacteriën zijn wel in staat om moleculaire stikstof om te zetten in ammonium, wat vervolgens door de plant als voedingsstof gebruikt kan worden. In ruil daarvoor krijgen de bacteriën energie in de vorm van koolhydraten die de plant middels fotosynthese aanmaakt.

Paraponia nodule_1 foto: René GeurtsParaponia nodule_1 foto: René Geurts

Kunstmest verminderen

Als je andere gewassen zou kunnen leren om op dezelfde manier samen te werken met stikstofbindende bacteriën, zou je het gebruik van kunstmest kunnen verminderen. Met die toepassing in het achterhoofd, bestuderen onderzoekers wereldwijd de herkomst en precieze werking van de symbiose tussen de vlinderbloemige plant en de rhizobiumbacterie.

Van peul naar hennep

‘We vergelijken planten die die samenwerking wel aan kunnen gaan met planten die dat niet kunnen,’ vertelt Geurts. Dat klinkt echter eenvoudiger dan het is. De familie van vlinderbloemigen bestaat uit meer dan 20.000 soorten, waarvan het merendeel al tientallen miljoenen jaren die symbiose kan aangaan. Behalve vlinderbloemigen zijn er nog ongeveer 250 andere plantsoorten, verspreid over 9 families, die ook stikstofbindende wortelknolletjes kunnen maken. Geurts richtte zich dan ook op een kleinere en later geëvolueerde plantenfamilie: hij vergeleek twee tropische boomsoorten, Parasponia en Trema, uit de hennepfamilie met elkaar. ‘Parasponia kan wortelknolletjes aanmaken en stikstof binden met behulp van rhizobium, en Trema kan dat niet. En omdat ze beiden een relatief eenvoudig genoom hebben, zijn we daar gaan zoeken naar de genetische oorzaken van dit verschil.’

Parasponia boom - foto: René GeurtsParasponia boom - foto: René Geurts

Bomen kweken

Omdat het onderzoek naar deze twee soorten al een jaar of twintig stillag, moest Geurts wel wat hobbels nemen, vertelt hij. ‘Rond 2011 zijn we helemaal opnieuw gestart met het opkweken en propageren van die twee soorten. En we hebben het hier over bomen, die groeien meestal niet zo snel.’ Tot zijn verrassing had hij al binnen zes maanden bruikbare zaden verkregen. ‘We hebben voor een aantal verschillende soorten Parasponia en Trema het complete genoom ontrafeld, en die genomen met behulp van een legertje studenten handmatig geannoteerd en vergeleken. Want als je dat alleen met behulp van bioinformatica doet, zitten er zoveel foutjes in dat vrijwel alle verschillen die je tussen de genomen vindt, artefacten blijken te zijn.’

Teleurstelling

Tot zijn verbazing vond Geurts geen enkele aanwijzing dat Parasponia pas recent de vaardigheid van wortelknolvorming had verworven. ‘Gezien het aantal ongerelateerde plantenfamilies die dit kan, zou die evolutionaire stap zo’n tien keer parallel moeten hebben plaatsgevonden. En Parasponia zou dat dan pas redelijk recent verworven moeten hebben. Dat wij daarvoor geen aanwijzingen voor konden vinden in het DNA van Parasponia was in eerste instantie een grote teleurstelling.’

Parasponia kan wortelknolletjes aanmaken en stikstof binden met behulp van rhizobium, en Trema kan dat niet.
- René Geurts

Dogma verworpen

Tegelijk zag Geurts dat de Trema-planten genetische informatie kwijt waren geraakt die belangrijk is voor het vormen van de wortelknolletjes. Na een uitgebreid verder onderzoek concludeerde Geurts dat de algemeen geaccepteerde hypothese helemaal niet klopt. ‘De vaardigheid om samen te werken met stikstofbindende-bacteriën is veel ouder dan we dachten. Die is niet recent tien keer, maar veel langer geleden slechts één keer ontstaan, en is daarna weer massaal verloren gegaan. Er zijn slechts tien families waarin die eigenschap behouden is gebleven.’

Waarom verloren

Het duurde even voordat de onderzoeksgemeenschap deze conclusie wilde aanvaarden, vertelt Geurts. ‘Inmiddels zijn we twee jaar verder, en is dit een geaccepteerde hypothese. Nu is de volgende vraag waarom die eigenschap, die zo nuttig lijkt voor de plant, verloren is gegaan. Eén van de ideeën is dat dit is getriggerd door veranderingen in de samenstelling van de atmosfeer. Een plant heeft CO2 nodig die hij middels fotosynthese omzet in suikers en zuurstof. Als de CO2-concentratie in de lucht onder een bepaalde waarde komt, dan is er te weinig substraat voor de fotosynthese, en kun je die bacteriën niet meer van voedsel voorzien. Zo’n symbiose kost dan de plant dan simpelweg teveel energie.’

Repareren

In zekere zin is Geurts’ conclusie goed nieuws voor het idee om planten te ontwikkelen die zonder kunstmest toekunnen. ‘In plaats van een nieuwe eigenschap toevoegen aan planten, gaan we eerst uitzoeken of we de eigenschap kunnen repareren in plantensoorten die het ooit gekund hebben. Aangezien Trema die eigenschap nog maar recent is verloren, gaan we daar beginnen. We hebben daar feitelijk alleen een aantal puntmutaties gezien in het DNA, de benodigde genen zitten er gewoon nog. Door nu te kijken welke reparaties cruciaal zijn om de symbiose weer op gang te krijgen, krijgen we hopelijk een idee hoe we toekomstige gewassen zodanig kunnen aanpassen dat ze  bacteriën een onderkomen kunnen bieden in de vorm van wortelknolletjes. En daarmee de plant kunnen voorzien van stikstof uit de lucht.’

Interview: Sonja Knols