SYNTHETIC BIOLOGY
Tomatenplant krijgt nieuwe helpers
Beeld: Shutterstock
DOOR Marion de Boo
Wageningse wetenschappers onderzoeken hoe je plantengroei een ‘boost’ kunt geven door de microbiële samenstelling rondom de plantenwortels te verbeteren.
HOE kunnen we genoeg voedsel produceren voor een groeiende wereldbevolking? Jarenlang is vooral ingezet op plantenveredeling en betere bemesting. Maar de productiestijging van nieuwe rassen lijkt af te vlakken en meststoffen mogen niet al te kwistig worden toegepast, want dat is verspilling èn slecht voor het milieu.
Steeds vaker wordt gekeken naar het gebruik van schimmels en bacteriën in de bodem. De Wageningse onderzoeker genetica Anne van Diepeningen weet waarom: “Er zijn tal van nuttige schimmels en bacteriën bekend die de plantengroei stimuleren. Ze groeien rondom de wortels, waar ze profiteren van allerlei koolstofverbindingen die de plant uitscheidt. Telers kunnen daarmee hun voordeel doen.”
Sommige micro-organismen helpen de plant rechtstreeks. Ze helpen de wortels bij het opnemen van water en voedingsstoffen. Veel micro-organismen recyclen voedingsstoffen in de grond, ze maken bijvoorbeeld moeilijk afbreekbare verbindingen uit de humus vrij, die dan weer voor de plantenwortels of voor andere nuttige micro-organismen beschikbaar komen.
Of ze beïnvloeden de hormoonbalans in de plant, zodat die bijvoorbeeld een groter wortelstelsel gaat maken en dan ook harder gaat groeien.
Andere micro-organismen hebben indirecte effecten. Zij drukken bijvoorbeeld ziekteverwekkende micro-organismen rondom de plantenwortels weg, of stimuleren de natuurlijke afweer van de plant zelf tegen ziekteverwekkers door zijn immuunsysteem te prikkelen.
Jonge tomaten op steenwol. WUR-onderzoekers keken welke groepen bacteriën en schimmels op gebruikte steenwol in de kas voorkomen. Foto: Wageningen Plant Research
Tot zover de theorie. “In de praktijk zie je soms geen enkel effect van een toegevoegd preparaat op een bestaande microgemeenschap”, aldus Van Diepeningen. “Misschien had je het op een verkeerde plek toegepast, of zijn de micro-organismen door concurrenten weggedrukt. Vandaar ons idee om een heel zorgvuldige cocktail samen te stellen, een team van nuttige soorten die elkaar aanvullen. Tenslotte bestaat een voetbalelftal ook niet alleen maar uit spitsen.”
De synthetische biologie maakt het mogelijk om zo’n winnend team samen te stellen. Meestal houden synthetische biologen zich bezig met het aansturen van gewenste processen in een cel, in één organisme. Het Wageningse idee om rationele nieuwe gemeenschappen van micro-organismen te ontwerpen die plantengroei bevorderen is nieuw.
Als eerste stap is gekozen voor tomatenplanten, die in Nederland op steenwol worden gekweekt. Onderzocht is welke groepen bacteriën en schimmels op gebruikte steenwol in de kas voorkomen.
Overigens weten tomatentelers in de praktijk best dat de micro-organismen hen een handje kunnen helpen. Na een geslaagd teeltseizoen wordt de steenwol tegenwoordig aan het eind van het jaar niet meer opgeruimd, maar intact gelaten om de micro-gemeenschap in stand te houden.
‘Ons idee is om een team samen te stellen van micro-organismen die elkaar aanvullen’
Sommige planten krijgen ineens een veel groter wortelstelsel, waardoor ze sneller water en meststoffen opnemen. Foto: Hollandse Hoogte
Interactie tussen schimmelcellen en de plantenwortel bij succesvolle kolonisatie. Foto: Wageningen Plant Research
De jonge plantjes worden weer in de oude steenwol geplant. Alleen als er ziekte in het gewas is gekomen wordt alles schoongemaakt en begint men opnieuw. De Wageningse onderzoekers hebben van een aantal nuttige bacteriën en schimmels het hele genoom laten sequencen. Hun eigenschappen zijn bekend, de genen zijn ‘geannoteerd’ (in databanken beschreven).
Op grond van die genen zijn modellen gemaakt die laten zien hoe de diverse soorten micro-organismen met voedingsstoffen omgaan. Daaruit volgen dan voorspellingen over hoe twee of meer soorten op elkaar zullen reageren. Gaan ze elkaar ondersteunen, laten ze elkaar onverschillig of drukt de een de ander weg? Zijn er ziekteverwekkers bij?
Die modellen zijn allereerst getest in het lab om te zien of de stammen inderdaad goed groeien op de aangeboden koolstofbronnen. Van Diepeningen: “We weten natuurlijk wel ongeveer welke koolstofbronnen de plantenwortels uitscheiden. Waar kunnen onze stammen wel of niet op groeien, waar zullen ze om vechten? Zo kregen we een goed idee van soorten die wel of niet goed samen kunnen groeien.”
De onderzoekers ontdekten ook bepaalde soorten die de populatie zullen stabiliseren. Zo’n bufferend effect is handig, want dan kunnen we meer soorten in een mengsel bij elkaar stoppen. “Omgekeerd zijn er ook soorten die zelf een anti-schimmel of anti-bacterieel middel produceren om hun concurrenten de pas af te snijden en als die ook spelers binnen het eigen team wegdrukken, kun je die er beter niet bij hebben.”
Om het herkennen in het laboratorium gemakkelijker te maken is een truc toegepast. Door bacteriestammen met groene of rode fluorescentie te markeren, kun je in een oogopslag zien hoe de onderlinge concurrentieslag uitpakt.
Overigens worden de micro-organismen voor in de teams in dit project niet genetisch gemanipuleerd. Het draait om soorten die gewoon in de natuur of in de kas kunnen voorkomen, maar in de praktijk niet altijd op de juiste plek of in de juiste hoeveelheden aanwezig zijn. Ook naar andere gewassen
De trostomaat is de meest geteelde groente in de Nederlandse glastuinbouw. Foto: Kwangmooza/ Shutterstock
Hoe nu verder? Van Diepeningen: “We zijn nog steeds voorspellingen aan het testen. Dat samenspel in de microbiologie is zo mooi en complex! Het is indrukwekkend om te zien welke ingewikkelde processen onze modellen nu al kunnen doorrekenen. We denken dat dit een veelbelovende methode is om populaties samen te stellen die de plantengroei bevorderen. Een plant die zich happy voelt gaat beter produceren. We stellen onze modellen voortdurend bij. Het blijft trial and error.”
Sommige planten krijgen ineens een veel groter wortelstelsel, waardoor ze veel sneller water en meststoffen opnemen en dus ook bovengronds meer biomassa maken. Dat is interessant voor opkwekers die in korte tijd jonge planten produceren voor andere telers.
“We hebben al heel wat jonge planten onderzocht om te zien wat die van nature aan micro-organismen bij zich hebben. Want na de tomaat willen we ook andere plantensoorten
Zo hoopt men uiteindelijk te komen tot een gestandaardiseerde procedure voor het ontwerpen van specifieke groeibevorderende gemeenschappen die aan de plant en zijn omgeving zijn aangepast, om tuinders straks een handje te helpen. De stap van potplanten naar de volle grond zal nog wel even op zich laten wachten. Want die is erg complex, met triljoenen verschillende soorten in een ingewikkeld samenspel. Maar de eerste stap is gezet.
WIE
Anne van Diepeningen, onderzoeker genetica bij Wageningen Plant Research
ONDERZOEK
Artificial microbial communities that promote plant health
TEAM
Onderzoekers van Wageningen Plant Research en de vakgroep Systems and Synthetic Biology