Wetenschap - 19 september 1996

Stikstofbinding in tarwe en rijst lijkt potentieel haalbaar

Stikstofbinding in tarwe en rijst lijkt potentieel haalbaar

Moleculair biologen ontrafelen signaaloverdracht van vlinderbloemigen

Vlinderbloemigen hebben hun relatie met stikstofbindende bacterien te danken aan een unieke set genen, was jarenlang de gedachte. Maar recent onderzoek doet vermoeden dat vlinderbloemigen en stikstofbinders helemaal niet zo uniek zijn. Ze zetten alleen op een heel handige manier algemeen voorkomende genen in. Het maken van stikstofbindende rijst en tarwe wordt daarmee weer bespreekbaar.


Klaver, wikke, erwten en bonen, allemaal vlinderbloemigen, hebben een voor de landbouw prachtige eigenschap. In de wortelknolletjes van deze planten kunnen Rhizobium-bacterien stikstof uit de lucht omzetten tot stikstofhoudende zouten. Dankzij die symbiose putten vlinderbloemigen de bodem niet uit en is bemesten niet nodig. Was het maar mogelijk dat vermogen over te brengen op rijst, tarwe en aardappelen

Begin jaren tachtig werd het maken van stikstofbindende voedingsgewassen gezien als een veelbelovende toepassing van genetische manipulatie. De resultaten vielen echter tegen en geldschieters haakten spoedig af. Dr A.H.J. Bisseling en dr H.G.J.M. Franssen van de vakgroep Moleculaire biologie durfden er tot voor kort ook niet meer over te spreken. Stikstofbinding leek te complex. Alleen al voor het innestelen van de bacterie en het maken van aangepaste wortelknolletjes schakelt de vlinderbloemige enkele tientallen extra genen aan. Hoe zou je ooit zoveel genen kunnen overbrengen naar rijst, zonder de rijstplant te verstoren?

Nu interesseert het ons minder hoeveel genen en eiwitten er bij stikstofbinding betrokken zijn", zo schetsen Bisseling en Franssen het nieuwe perspectief. Als we maar weten welke genen een sleutelrol spelen." Recent onderzoek doet namelijk vermoeden dat de symbiose niet is gebaseerd op een unieke set van pakweg honderd tot duizend speciale genen van de vlinderbloemige. Nee, de stikstofbinder en de vlinderbloemige zetten algemeen voorkomende genen op een unieke manier in voor beider welzijn. Dat betekent dat de potentie voor wortelknolvorming weleens bijna geheel aanwezig kan zijn in aardappelen, tarwe en rijst. Het systeem zou alleen - heel simpel geredeneerd - op de juiste manier en het juiste moment moeten worden aangeschakeld.

Signaaloverdracht

De eerste ophelderingen van genen, eiwitten en organische moleculen die zijn betrokken bij de signaaloverdracht, geven aanwijzingen voor deze niet-uniekheid van vlinderbloemigen. Zo begint het contact tussen de Rhizobium-bacterie en haar vlinderbloemige met de herkenning van een specifieke mix eenvoudige plantenstoffen, flavonoiden geheten. Alle planten maken flavonoiden in hun wortels, verklaart dr H. Spaink, die op de Leidse universiteit de signaaloverdracht onderzoekt. Vlinderbloemigen onderscheiden zich alleen door een toevallige, specifieke mix flavonoiden, die door een bepaalde Rhizobium-stam wordt herkend. De bacterien hebben zich aan die flavonoide-mix aangepast, vermoedt Spaink.

Over de rol van flavonoiden in wortels wordt druk gespeculeerd. Bekend is dat flavonoiden pathogenen remmen. Mogelijk hebben ze in niet-vlinderbloemigen louter die beschermende rol. Interessant is de recente vondst dat een van de flavonoiden het transport van het klassieke plantenhormoon auxine beinvloedt en daarmee de groei van organen. Spaink: Onze simpele hypothese is nu: flavonoide induceert wortelgroei. Als dat waar is, is het geen wonder dat de bacterie flavonoide als herkenningsstof heeft gekozen. Want waar flavonoiden zijn, zijn de wortelcellen zich al wat aan het delen."

Wanneer de bacterie de flavonoiden herkent, worden haar eigen zogeheten NOD-genen aangeschakeld. Deze zorgen voor de aanmaak van een antwoord, een signaalstofje dat in de plant zogeheten ENOD-genen aan het werk zet. Het signaalstofje van de Rhizobium is een chitine-fragment, een kleine suikerketen met daaraan een vetzuur.

Ook deze suikerketen is niet uniek. Er zijn sterke aanwijzingen dat chitines een rol spelen bij de embryogenese, zowel bij planten als bij dieren.

In het zebravisje zijn namelijk dezelfde soort NOD-genen gevonden als in Rhizobium. En wanneer je zo'n gen in het zebravis-embryo blokkeert, maakt het visje geen staart meer. Ook wanneer je chitine-modificerende enzymen extern toevoegt, ontwikkelt zich een staartloos visje. Spaink: Vijftien jaar geleden zou niemand geloven dat suikers iets doen in de ontwikkeling."

De suiker chitine wordt naar verwachting ook gebruikt door planten. Duitse onderzoekers vonden dat tabaksplantcellen aangezet worden tot deling wanneer ze worden blootgesteld aan de chitines uit Rhizobium. En - het is nog niet gepubliceerd maar we mogen het toch opschrijven - onlangs heeft de Leidse groep deze suikertjes ook gevonden in de modelplant zandraket. De bacterie laat de vlinderbloemige dus een orgaan voor haar maken, door een algemeen gebruikte signaalstof in te zetten.

Vervolgens lijken ook de door chitine aangeschakelde ENOD-genen, de plantengenen die in de fase van knolvorming en infectie tot expressie komen, niet specifiek voor vlinderbloemigen. De Wageningse moleculair biologen haalden deze zomer het prestigieuze blad Science met de beschrijving van een nog niet eerder beschreven minuscuul eiwitje, afkomstig van het ENOD40-gen. Het eiwitje beinvloedt de werking van het klassieke groeihormoon auxine door de gevoeligheid van plantencellen ervoor te verminderen. De groep vond in tabak hetzelfde ENOD40-gen. Daarnaast toonden ze aan dat de groei van tabak dramatisch verandert, als ze in de tabaksplant extra ENOD40-genen zetten uit sojabonen. Dat wijst erop dat tabakscellen, die niet in staat zijn tot wortelknolvorming, wel het product van ENOD40 herkennen.

Receptoreiwit

Samen met de Leidse groep zoeken de Wageningers nu naar het receptoreiwit in de plant dat de bacterie-chitine herkent. De receptor zal niet uniek zijn - ook zebravisjes herkennen immers chitines. Maar hij zal in de wortels van vlinderbloemigen ook weer niet precies hetzelfde zijn als zijn zusjes elders.

Bisseling: Kijk, we stappen nu dus af van het idee dat vlinderbloemigen unieke genen hebben. Maar veel van de algemene genen die ze inzetten, zullen wel net iets zijn aangepast. Zo'n aangepaste receptor kun je in andere planten brengen, en dan kun je kijken in hoeverre het systeem daar gaat werken."

De plantenfysioloog prof. dr L.H.W. van der Plas vindt het een aantrekkelijke gedachte dat vlinderbloemigen gebruik maken van algemeen voorkomende genen. Maar juist omdat de vlinderbloemigen de cruciale genen toch iets zullen hebben veranderd, acht hij de nieuwe benadering niet principieel anders dan de oude. Het in werking zetten van bestaande genen in andere planten - in plaats van het inzetten van een nieuw systeem - vraagt nog steeds veel aanpassingsstappen. Bij de symbiose komen namelijk erg veel processen kijken, die precies op elkaar moeten worden afgestemd.

Natuurlijk loop je steeds weer tegen nieuwe barrieres op, erkennen de moleculair biologen. Maar hoeveel barrieres je tegenkomt, weet je nog niet. Dat moet je uitproberen. Dan wordt duidelijk of werken aan stikstofbindende gewassen een zinvolle strategie is. Bisseling: Toepassing kan nog wel vijftig jaar duren. Maar het is toch fantastisch dat fundamenteel onderzoek, waar het bedrijfsleven nog niet in is geinteresseerd, kan leiden tot dit soort discussies. Uitproberen en nadenken over de zin van dit soort langetermijnstrategieen, dat is bij uitstek een taak van de universiteit."

Spaink: Misschien is het inderdaad nog te vroeg om te pleiten voor toepassing. Maar nu is tenminste de strategie duidelijk. Tien jaar geleden was zowel de Rhizobium-bacterie als de vlinderbloemige nog een black box."

Franssen: Kies je er dan uiteindelijk voor om over 25 jaar stikstofbindende rijst te hebben, dan vraagt dat wel een flink commitment. Zoals het onderzoek nu is georganiseerd, red je het niet. Er is teveel overlap en het onderzoek is te versnipperd. En welke financier is nu nog in zo'n langetermijnproject geinteresseerd?"

Re:ageer