De wereldbevolking zal ook in de toekomst nog enige tijd blijven stijgen. Dit steeds toenemend aantal monden moet evenwel gevoed worden met een beperkte hoeveelheid grond beschikbaar voor landbouwactiviteiten. Toch offeren we de overgebleven natuurgebieden beter niet op voor het telen van gewassen, willen we de biodiversiteit niet nog verder terugdringen. En dan is er nog de opwarming van de aarde, die ook planten danig onder druk zet en op die manier een daling in de landbouwopbrengst veroorzaakt. Als we blijven gebruikmaken van klassieke, chemische bemestingsmethoden kunnen we een duurzame ontwikkeling en evolutie van de landbouw wel vergeten. De impact op het milieu is nefast, onder meer omdat deze meststoffen het natuurlijk evenwicht in de bodem verstoren. Bovendien bereikt slechts 14 procent van de toegediende stoffen uiteindelijk de plant. De overige 86 (!) procent vervuilt zowel water als atmosfeer, omwille van het wegvloeien doorheen de bodem in beken, rivieren en andere wateren en wegens verdamping in de atmosfeer. Daarenboven worden klassieke meststoffen gewonnen uit niet-hernieuwbare bronnen zoals fossiele brandstoffen. Daarom gaan wetenschappers op zoek naar nieuwe, ecologisch verantwoorde en budget-vriendelijke alternatieven. Het gebruik van onder meer goedaardige bodembacteriën als biologische, alternatieve meststof is een aanlokkelijk idee, maar hoe werkt dit vreedzame verbond tussen plant en bacterie?
Onder onze voeten bevindt zich een verborgen, compleet nieuwe wereld
Bacteriën kan je nagenoeg overal terugvinden: op je handen, in je darmen, maar ook… in de bodem! In één gram aarde kan je ongeveer een miljard van deze ééncellige organismen terugvinden. Om je hier iets bij voor te stellen: een handvol aarde bevat meer bacteriën dan er mensen zijn! Je kan je inbeelden dat er met een dergelijk aantal op zo’n kleine schaal competitie ontstaat. In dit geval competitie om voedingsstoffen die nodig zijn om te kunnen groeien en te overleven. Sommige bacteriën beschikken over unieke uitrustingen en kunnen daardoor makkelijker voedsel bereiken. Een voorbeeld hiervan is een flagel, een soort motortje dat aan de cel hangt en de bacterie bewegingsvrijheid biedt. Een tweede voorbeeld is het proces chemotaxis, dat het mogelijk maakt om een hogere hoeveelheid (voedings-)stoffen te voelen en er naartoe (of ervan weg) te bewegen. Bij een toxische stof wil je namelijk niet te dicht in de buurt komen!
Een bacterie kan beschikken over verschillende eigenschappen. Dankzij één of meerdere zweepstaarten (flagellen) kan de bacterie zich voortbewegen. (link)
Een mogelijke bron van voedingsstoffen in dit bodemrijk zijn bepaalde stoffen die worden vrijgesteld door plantenwortels. Wetenschappers hebben opgemerkt dat in de regio in de nabijheid van plantenwortels tot wel duizend keer meer bacteriën kunnen voorkomen dan elders in de bodem. Dikwijls gaan de bacteriën zelfs nog een stapje verder en huisvesten zich binnenin de wortel. Maar waarom zou een plant zoveel energie investeren in het produceren en loslaten van stoffen in de bodem die bacteriën aantrekken en voeden?
Het ontstaan van plant-bacterie interacties, lang lang geleden
Om deze vraag te kunnen beantwoorden, moeten we (heel ver) terugkeren in de tijd. Meer specifiek naar het moment waarop de eerste landplanten ontstonden, zo’n 470 miljoen jaar geleden. Deze pioniers waren op zoek naar een nieuwe niche, een plaats om te (over)leven, die nog niet ingepalmd was door concurrerende organismen. Maar net zoals planten, zijn ook bacteriën continu op zoek naar nieuwe niches. Aangezien het ééncellig leven al 3 tot 4 miljard jaar eerder ontstond op aarde, kwamen de twee levensvormen al snel met elkaar in contact. Hoe deze ontmoeting precies verliep, en hoe deze interactie verder evolueerde tot op de dag van vandaag, weten we niet zeker, maar de gevolgen ervan kunnen we wel bestuderen. Een dergelijke plant-bacterie interactie kan ofwel neutraal, kwaadaardig of goedaardig zijn. Bij een neutrale interactie hebben geen van beide partners een voor- of nadeel. Bij een kwaadaardige interactie zal de bacterie de plant overheersen (of omgekeerd) en kan deze sterven. Een voorbeeld hiervan is de plantenziekte bruinrot waarbij een specifieke bacterie groeit in het vaatweefsel van de plant. Hierdoor wordt het voedseltransport van de plant geblokkeerd. Hoewel de bacterie een nieuwe niche gevonden heeft, namelijk het vaatweefsel, is de plant hiervan de dupe. Uiteindelijk sterft de plant en moet de bacterie op zoek naar een nieuwe gastheer. Maar, last but not least, er bestaan gelukkig ook goedaardige of symbiotische interacties waar beide partijen voordeel aan hebben. Een mooi voorbeeld zijn wortelknobbels, kleine verdikkingen op de plantenwortel waarin bacteriën leven. De bacteriën die hier wonen, kunnen, dankzij een bepaald gen genaamd nif (Nitrogen fixation), stikstof uit de atmosfeer halen en het in een aangepaste vorm doorverkopen aan de plant, in ruil voor voedingsstoffen en onderdak. Een ingenieus verbond!
Sommige planten uit de peulvruchtenfamilie, zoals soja of boon, kunnen een interactie aangaan met wortelknobbelbacteriën. In deze samenwerking zet de bacterie atmosferisch stikstof om tot verbindingen die de plant kan gebruiken, in ruil voor koolstofverbindingen. (link)
Het (wapen)arsenaal breidt uit: stilstaan is achteruitgaan
Naast het voorbeeld van wortelknobbels zijn er nog tientallen andere. Doorheen de evolutie hebben zowel planten als bacteriën hun (wapen)arsenaal uitgebreid: planten hebben bijvoorbeeld een immuunsysteem opgebouwd om mogelijke kwaadaardige interacties te voorkomen. Anderzijds bestaan er bacteriën die dit immuunsysteem kunnen stilleggen. Sommige planten zijn dan weer zo geëvolueerd dat ze deze indringers toch kunnen herkennen, waardoor ze meer kans hebben op voortplanting en overleving. Dit proces, genaamd co-evolutie, kan zo blijven doorgaan en heeft ervoor gezorgd dat beide partijen vandaag beschikken over allerlei diverse functies om met elkaar in interactie te treden. Ook goedaardige bacteriën hebben dit proces doorgemaakt, wat ervoor gezorgd heeft dat ze aan de hand van verschillende trucjes de groei van planten op een positieve manier kunnen beïnvloeden. Deze bacteriën noemt men ‘Plant Growth Promoting Rhizobacteria’ of kortweg PGPR. Zo kunnen PGPR bijvoorbeeld antimicrobiële stoffen produceren om mogelijke vijandige bacteriën te doden. Bovendien zorgen de bacteriën ervoor dat het immuunsysteem in de plant geactiveerd wordt, en dit ook zonder een ziekteverwekker in de buurt. Zo is de plant beter voorbereid op een mogelijke aanval in de toekomst, waardoor de ziekte veel minder impact zal hebben op haar groeiproces. Daarnaast kunnen ze interacties tussen andere goedaardige bodemorganismen en de plant stimuleren. De bacteriën kunnen verder ook een directe invloed uitoefenen op de groei van hun plantenpartner. Allereerst zorgen ze ervoor dat de plant meer voedingsstoffen uit de bodem kan opnemen. Fosfor, kalium en stikstof, of kortweg PKN (een waarde die je ook op je zakken potgrond kan terugvinden), zijn essentiële basiselementen voor de ontwikkeling van de plant, maar deze zijn vaak in geringe hoeveelheden beschikbaar in de bodem. Bacteriën kunnen de opname van deze stoffen enerzijds bevorderen door plantenhormonen te produceren die het worteloppervlak van de plant vergroten, en anderzijds door de plant meer poorten te laten produceren om deze stoffen op te nemen. Naast de verhoogde opname van voedsel uit de bodem kunnen de goedaardige bacteriële partners de beschikbaarheid van deze voedingsstoffen in de bodem ook opdrijven. Tot slot is het ook aangetoond dat PGPR planten kunnen helpen in stresssituaties zoals droogte of koude. Dit alles vormt dus de reden waarom de plant zoveel energie investeert in het rekruteren van die goedaardige bodembacteriën: om de eigen overlevingskans te verhogen, in ruil voor wat energierijke koolstofverbindingen.
In dit experiment werden zandraket plantjes opgegroeid in de af-/aanwezigheid van een groeibevorderende bacterie (geslacht Caulobacter), respectievelijk links en rechts op de foto. De plantjes waar bacteriën aan toegevoegd zijn hebben een grotere scheut en wortelsysteem. (link)
In het labo van professor Sofie Goormachtig in Gent onderzoeken we al enkele jaren de positieve effecten van deze beestjes, wat op bovenstaande foto duidelijk te zien is. Hier zijn bacteriën van het geslacht Caulobacter toegevoegd aan de wortels van zandraketplantjes. Na een paar weken is het effect duidelijk zichtbaar: de planten met bacteriën (rechts) hebben een grotere scheut en een groter wortelsysteem. Een dergelijk groeibevorderend effect is ook aangetoond voor allerlei andere plantensoorten zoals tomaat, maïs, aardappel etc.
Bacteriën als vervanging voor meststoffen en pesticiden?
Hoewel er nog veel onderzoek moet gebeuren naar de mechanismen van groeibevordering en het formuleren van een eindproduct, zijn er al enkele producten gebaseerd op PGPR op de markt. Mycostop (Verdera), bijvoorbeeld, is een biofungicide dat de bacterie uit het geslacht genaamd Streptomyces bevat en is effectief tegen schimmelinfecties. Omdat deze bacterie de plantenwortels koloniseert, is er minder voedsel beschikbaar voor de vijandige schimmel. Daarbovenop produceert de bacterie ook stoffen die de schimmelgroei actief remmen en de celwand ervan kunnen afbreken. Een ander voorbeeld is het product QuickRoots (Novozymes) dat de samenwerking tussen twee bacteriën (Bacillus amyloliquefaciens en Trichoderma virens) gebruikt als biomeststof om de plant te voorzien van meer fosfaat, kalium en stikstof. Slim, toch?
Hoe dan ook, bacteriën alleen zullen het voedselprobleem niet oplossen. Maar geïntegreerde landbouw, waarbij onder meer goedaardige bodembacteriën gebruikt worden, biedt een veelbelovend alternatief voor de huidige, chemische bemestingsmethoden. Wie weet, misschien vinden we binnenkort in het tuincentrum om de hoek wel veel meer kleine bacteriële helden terug, wie zal het zeggen?
