Nieuws

Veel planten hebben potentie om stikstof uit lucht als voeding te kunnen gebruiken

Gepubliceerd op
7 juni 2012

Bijna alle planten hebben moleculair- en celbiologisch gezien de potentie om net als vlinderbloemigen stikstof uit de lucht als voeding te gebruiken, door samen te werken met rhizobium bacteriën. Onderzoekers van Wageningen University, onderdeel van Wageningen UR, hebben namelijk ontdekt dat de samenwerking tussen vlinderbloemige planten en rhizobium bacteriën sprekend lijkt op de samenwerking tussen planten en mycorrhizae schimmels, die bij heel veel planten voorkomt.

paarse klaver

Dit betekent dat bijna alle planten in principe beschikken over de machinerie die nodig is om samenwerking met rhizobium aan te gaan. Deze vinding is van grote betekenis voor het wereldwijde onderzoek waarin gestreefd wordt naar het overdragen van de rhizobium-symbiose naar niet-vlinderbloemigen, voor een minder kunstmest-afhankelijke, duurzame productie van voedsel en groene grondstoffen.

Stikstof is een belangrijke beperkende factor voor de groei van planten en gewassen. Maar planten kunnen de stikstof uit de lucht niet voor hun groei benutten. Planten zijn daarom afhankelijk van andere stikstofbronnen die wél voor hun te gebruiken zijn, bijvoorbeeld stikstof in de vorm van ammonium of nitraat. In de huidige landbouw wordt daarom veelal kunstmest gegeven om er voor te zorgen dat de planten voldoende stikstof kunnen opnemen.

Er is echter een belangrijk natuurlijke proces waarbij planten wél stikstof uit de lucht kunnen gebruiken voor hun groei. Bij dat proces zetten bepaalde bacteriën stikstofgas uit de lucht om in ammonium, wat voor de plant wél bruikbaar is. Het meest efficiënt gebeurt dit in de symbiose van Rhizobium bacteriën en vlinderbloemige planten. Dat is de reden dat vlinderbloemigen vóór de introductie van kunstmest zo’n belangrijke plaats in de landbouw hadden.

De symbiose van rhizobium bacteriën en planten is van belang vanwege de noodzaak tot het produceren van méér voedsel met mínder input. Onlangs zetten 89 prominente wetenschappers in de Groene Amsterdammer ook het onderzoek naar de symbiose tussen Rhizobium bacteriën en vlinderbloemige planten daarom in de top tien van onderzoek met belangrijke wetenschappelijke doorbraken.

De samenwerking tussen planten en rhizobium bacteriën gebeurt in de wortels, in zogenaamde wortelknolletjes. In die wortelknollen worden de bacteriën opgenomen als stikstof bindende ‘organellen’: ze worden ín plantencellen opgenomen. De plant maakt daarvoor speciale membraan-compartimentjes. In tegenstelling tot échte organellen zoals mitochondriën en chloroplasten, verblijven de “Rhizobium-organellen” slechts tijdelijk in plantencellen.

De membraan-compartimentjes waarin de bacteriën gehuisvest zijn, vormen het hart van de symbiose. Daarmee kan de plant namelijk precies bepalen welke voedingsstoffen aan de bacteriën worden gegeven in ruil voor ammonium. Zonder de afscherming in aparte membraan-compartimentjes zouden de bacteriën de plantencellen simpelweg opeten  De vorming van de membraan-compartimentjes is dus een cruciaal aspect van de symbiose.

Uit recent onderzoek van Wageningen University, dat in mei 2012 gepubliceerd is in het wetenschappelijke tijdschrift PNAS, blijkt dat de membraan-compartimentjes voor de rhizobium bacteriën, op het cel- en moleculaire vlak sprekend lijken op de membraan-compartimentjes die planten maken voor de samenwerking met mycorrhizae schimmels.

Bij de symbiose met mycorrhizae schimmels vormen de planten membraan-compartimentjes waarin heel bijzondere schimmel-structuren worden opgenomen, de zogenoemde arbuskul. Dat zijn sterk vertakte schimmeldraden die in directe verbinding staan met de schimmeldraden die buiten de wortels groeien. Op die manier kan de schimmel de plant helpen met de opname van fosfaat uit de bodem, in ruil voor voedingsstoffen die de plant maakt.

De Wageningse onderzoekers bestudeerden het moleculair celbiologische mechanisme dat ten grondslag ligt aan de vorming van de membraan-compartimentjes voor de mycorrhizae schimmels en de rhizobium bacteriën. Die twee mechanismen blijken verrassend veel overeenkomsten te hebben. Kennelijk hebben bijna alle planten de potentie om via de membraan-compartimentjes de samenwerking aan te gaan met rhizobium bacteriën. Dat brengt de onderzoekers een stap dichterbij de overdracht van de rhizobium-symbiose naar allerlei niet-vlinderbloemige gewassen. Die gewassen kunnen dan met minder kunstmest toe, waardoor de teelt duurzamer wordt.