Wageningen Universiteit en Researchcentrum
Naar een duurzame stikstofbinding voor de gewassen van de 21e eeuw
24-12-2010
* René Geurts en Ton Bisseling
Het voeden van de wereldbevolking in 2050 is een enorme opdracht. Het wegnemen van beperkende factoren in de voedselproductie zal daarbij een cruciale rol spelen. Stikstof is een van die beperkende factoren. Binding van stikstof uit de lucht voor plantenvoeding en dus gewasgroei is daarom een geweldige uitdaging. Wij stellen dan ook dat recente inzichten in symbiose in vlinderbloemige en niet-vlinderbloemige planten en technologische doorbraken in genomica en plantenveredeling ons de maatschappelijke verplichting opleggen om te investeren in onderzoek dat ons in staat zal stellen de nieuwe mogelijkheden voor duurzame voedselproductie te benutten.
De symbiose tussen vlinderbloemigen en Rhizobiumbacteriën is een van de belangrijkste biologische systemen die gereduceerde stikstofverbindingen produceert. Deze onbeperkte bron van gebonden stikstof wordt direct gebruikt door de vlinderbloemige gastplant en indirect door alle organismen, inclusief de mens. Overbrenging van dit symbiotische vermogen naar belangrijke (niet-vlinderbloemige) gewassen wordt gezien als belangrijke uitdaging voor de landbouw in 2050 (Gewin, Nature 466, 552, 2010).
Deze Rhizobium-wortelknolsymbiose ontwikkelde zich in de evolutie onafhankelijk in een niet-vlinderbloemige plant, namelijk Parasponia uit Nieuw Guinea. Parasponia heeft dit symbiotische vermogen pas redelijk recent verkregen in vergelijking met vlinderbloemigen en kan ons daarom leren hoe deze belangrijke landbouwkundige eigenschap kan worden overgebracht naar niet-vlinderbloemige gewassen.
Al sinds de ontdekking van Parasponia (in 1973) als eerste, en tot nu toe enige, niet-vlinderbloemige die in staat is tot stikstofbindende wortelknolsymbiose met Rhizobium, heeft dit de wetenschappelijke wereld geïntrigeerd. Deze 'brug-soort' zal dan ook inzicht moeten verschaffen in de manier waarop deze unieke symbiose tijdens evolutie kon ontstaan. het potentieel van deze plant moet uiteindelijk leiden tot het benutten van haar eigenschappen. De afgelopen 10 jaar is belangrijk inzicht verkregen in moleculaire mechanismen die aan de basis liggen van de Rhizobium-vlinderbloemige-symbiose. De studies aan bijvoorbeeld de modelvlinderbloemigen Medicago en Lotus kunnen nu worden benut om te onderzoeken hoe Parasponia bestaande plantprocessen inschakelt om een wortelknolsymbiose te creëren.
De vorming van vlinderbloemige wortelknolletjes wordt in gang gezet door specifieke moleculen die worden uitgescheiden door Rhizobium; zogenaamde Nod-factoren. De modelsystemen van vlinderbloemigen maakten het mogelijk de vlinderbloemige genen die essentieel zijn voor perceptie en signalering van de Nod-factor, te kloneren en karakteriseren. Het is opvallend dat Nod-factoren ook essentieel zijn in de Parasponia-Rhizobiumsymbiose. Hoewel Nod-factoren een unieke structuur hebben, maakt deze waarneming het zeer aannemelijk dat de Nod-factoren worden herkend door receptoren die wijdverbreid voorkomen in het plantenrijk. We losten deze paradox op in onze studies met Parasponia die zijn
In Parasponia kunnen we nu een evolutionair proces waarnemen 'kort' na z'n ontstaan in de evolutie. Daar de symbiose-code afkomstig is van de evolutionaire-oude mycorrhiza-symbiose zal deze al aanwezig zijn in de meeste hogere planten, inclusief belangrijke gewassen. Door nauwgezet onderzoek zal Parasponia ons duidelijk maken hoe we een evolutionair proces kunnen overbrengen naar belangrijke gewassen.
Uiteindelijk willen we daarmee die gewassen het vermogen geven om energetisch gunstig en milieuvriendelijk te voorzien in hun eigen stikstofbehoefte. In de afweging voor de besteding van onderzoeksmiddelen vergt het moed te investeren in langetermijnkansen. Maar volgende generaties zullen ons er dankbaar voor zijn.
Foto's
http://www.wewur.wur.nl/popups/vcard.aspx?id=GEURT001&lang=nl
René Geurts
http://www.wewur.wur.nl/popups/vcard.aspx?id=BISSE001&lang=nl
Ton Bisseling
Laboratorium voor Moleculaire Biologie van Wageningen University