TIEN DOORBRAKEN: VAN SLIMME MATERIALEN TOT EFFICIËNTE PLANTEN

9 Voedsel uit stikstof

Symbiose van planten biedt zicht op een houdbare voedselvoorziening in de wereld

Medium schimmel

Al in de verre oudheid waren mensen zich bewust van het belang van vlinderbloemige gewassen, zoals bonen en soja, voor een vruchtbare bodem en een rijke graanoogst. In Mesopotamië werden linzen verbouwd naast tarwe, en ook de Romeinen wisselden hun gewassen af met (vlinderbloemige) peulvruchten om de aarde vruchtbaar te houden. Des te opmerkelijker dat wetenschappers deze bijzondere eigenschap van vlinderbloemigen betitelen als een belofte voor de toekomst. Toch is dat precies wat de Wageningse moleculair biologen René Geurts en Ton Bisseling doen. De specifieke symbiose die vlinderbloemige planten aangaan, biedt mogelijk zicht op een houdbare voedselvoorziening in de wereld, zo opperen zij. Misschien is het te vroeg om te spreken van een heuse doorbraak, maar dankzij recent onderzoek zijn we wel degelijk een – veelbelovende – stap dichterbij gekomen.

Vlinderbloemige gewassen als soja, linzen en bonen zijn onmisbaar voor de eiwitbehoefte van de mens – ook voor de vleeseters onder ons. Als we zelf al geen peulvruchten eten, doen de dieren wier vlees wij weer consumeren dat wel. Vlinderbloemige planten bevatten zo veel eiwit omdat ze een ‘intieme samenwerking’, een zogeheten symbiose, aangaan met bepaalde bodembacteriën die stikstof binden. Het resultaat, gebonden stikstof, is een essentiële grondstof voor eiwitten.

Gebonden stikstof is niet alleen van belang voor een eiwitrijke oogst, maar dus ook voor de kwaliteit van de bodem. Compost van vlinderbloemige planten verrijkt de bodem en dat is bevorderlijk voor alle gewassen. Het is een oud ervaringsfeit voor boeren overal ter wereld, ook in Nederland. Tot in de jaren vijftig vormden peulvruchten een belangrijk deel van de vaderlandse landbouw. Maar tegenwoordig importeren we soja en nemen we onze toevlucht tot het gebruik van kunstmest om de bodem te verrijken. Dat lijkt een gemakkelijke oplossing, maar het is niet erg duurzaam, want van alle energie die in de landbouw wordt verbruikt, gaat naar schatting dertig procent op aan de productie van kunstmest. Bovendien kan intensief gebruik van kunstmest serieuze milieuschade aanrichten. Het is dus niet raar dat plantkundigen zich afvragen of dat niet slimmer kan. Maar waar zit dan de sleutel? Kunnen we toch nog iets leren van die vlinderbloemige plant?

Soja, bonen en peulvruchten gaan een bijzondere uitruil aan met specifieke bacteriën uit de Rhizobium-familie. Deze binden stikstof uit de atmosfeer tot ammonium. Dat proces kost de bacteriën veel energie en levert daarom meestal een bescheiden resultaat op, maar in samenwerking met de vlinderbloemige plant schiet het resultaat omhoog. De plant ruilt suikers – het product van fotosynthese – voor gebonden stikstof, waardoor de som der delen plotseling veel groter wordt. Vlinderbloemige planten zijn (op een enkele uitzondering na) de enige planten die deze intensieve en profijtelijke uitruil met Rhizobium-bacteriën aangaan.

Dat vlinderbloemige planten hun hoge eiwitproductie danken aan deze specifieke bacterie is de ontdekking van de Nederlandse microbioloog Martinus Beijerinck. Dat was in 1888. Al snel daarna drong het inzicht door dat de landbouw enorm zou profiteren van de overdracht van deze bijzondere symbiose naar niet-vlinderbloemige gewassen. Dan zouden we op duurzame wijze veel meer eiwit kunnen produceren. Maar wetenschappers slaagden er tot nu toe niet in het procédé over te dragen op andere gewassen.

Recent onderzoek blaast deze hoop echter nieuw leven in, zo schrijven Bisseling en Geurts. De meeste planten blijken wel degelijk te beschikken over basiselementen die een intieme samenwerking met de Rhizobium-­bacterie mogelijk maken. Deze basiselementen zijn alleen niet actief; ze zijn slapend aanwezig. In nagenoeg alle planten zit een schimmel die precies zo blijkt te werken als de Rhizobium-­bacterie. Het lijkt zelfs alsof de bacterie haar manier van werken van deze schimmel heeft overgenomen. Deze ontdekking opent een nieuw en onontgonnen gebied.

De schimmel waar het hier om gaat, de mycorrhiza, infecteert de wortels van planten. Aldaar vormt ze schimmeldraden, die essentiële voedingsstoffen opnemen uit de bodem, vooral fosfaat, maar in mindere mate ook ammonium. De schimmel ruilt die stoffen vervolgens tegen de suikers van de plant, net zoals de Rhizobium-bacterie dat doet. De schimmel bestaat al een half miljard jaar – net zo lang als landplanten bestaan – en is aanwezig in nagenoeg alle planten. Dit betekent dat nagenoeg alle planten beschikken over het mechanisme om in hun cellen de Rhizobium-bacterie te kunnen huisvesten, met alle gunstige gevolgen van stikstofbinding van dien.

De vraag is nu, zo schrijven Bisseling en Geurts: welke subtiele veranderingen zijn nodig om de bacterie daadwerkelijk haar heilzame werk te laten verrichten bij niet-vlinderbloemige planten? ‘We moeten dus niet meer onderzoeken waarom vlinderbloemige planten zo uniek zijn, maar waarom niet-vlinderbloemigen nog niet tot de een symbiose met Rhizobium in staat zijn. Dat lijkt een klein verschil, maar het zou wel eens het ei van Columbus kunnen zijn.’

Maarten Koornneef, plantengeneticus in Keulen, hoopt dat eveneens. Als we de stikstofbinding door bacteriën volledig zouden begrijpen en daarmee zouden kunnen veranderen, kun je spreken van een grote doorbraak, schrijft hij. Zo ver is het nog niet. Er wordt veel moeite gestoken in het onderzoek naar erfelijke verschillen binnen en tussen plantensoorten – en niet zonder resultaat. De doorbraken zijn veelvuldig, maar relatief klein. Het onderzoek naar de werking van de mycorrhiza-schimmel brengt daar hopelijk verandering in.


Beeld: De schimmel mycorrhiza in een wortel. Courtesy: Carolina Biological / Visuals Unlimited / Corbis