Wetenschap - 28 mei 2018

Dogma doorbroken: veel planten zijn stikstofbinding kwijtgeraakt

tekst:
Albert Sikkema

Een groep internationale wetenschappers heeft een 25 jaar oud dogma in de plantenwetenschappen naar de prullenbak verwezen. Ze hebben ontdekt dat er miljoenen jaren geleden veel meer symbiose was tussen vlinderbloemige planten en stikstofbindende bacteriën.

Stikstofbinding op de wortels van planten. De bacteriën leven op de plantenwortels, waar zij zogenaamde stikstofwortelknolletjes vormen. @Shutterstock

In de symbiose tussen vlinderbloemige planten en rhizobiumbacteriën produceren de planten koolstof voor de bacteriën, die in ruil daarvoor stikstof produceren voor de plant. Daarmee leveren ze ‘natuurlijke kunstmest’ aan peulvruchten als soja en erwt. Na een DNA-analyse bij dertig plantensoorten ontdekte de groep dat veel plantenvariëteiten de symbiose met de bacterie zijn kwijtgeraakt.

‘Jarenlang dachten we dat de stikstofbindende symbiose meerdere keren is ontstaan in verschillende plantenfamilies’, zegt de Wageningse onderzoeker Wouter Kohlen. ‘Aan de hand van DNA-analyses denken we nu dat de symbiose wijdverbreid was en zeer waarschijnlijk maar één keer is ontstaan. In de loop der tijd hebben veel plantensoorten deze eigenschap echter weer verloren.’

Kunstmest
Als je de evolutie van stikstofbinding begrijpt, kun je ook nagaan hoe je stikstofbinding kunt introduceren in andere soorten dan vlinderbloemigen, zegt Kohlen. De stikstofbinding geldt al tientallen jaren als een van de holy grails van de plantenwetenschappen. Als het lukt om stikstofbinding te introduceren in gewassen als rijst en tarwe, vergroot dat de voedselzekerheid in grote delen van de wereld.

Parasponia
De Wageningse onderzoekers kwamen tot een vergelijkbaar inzicht in een recent gepubliceerd artikel in PNAS. Ze vergeleken het genoom van de boom Parasponia, die stikstof bindt, met nauwverwante soorten van het genus Trema, die dat niet kunnen. Ze vonden dat plantengenen die belangrijk zijn voor de symbiose, zoals het Nin-gen, onafhankelijk van elkaar verloren zijn gegaan in de genomen van Tremasoorten. Dit suggereert dat Trema de stikstofbindende symbiose is verloren.

Twee genen
De resultaten van het onderzoek zijn 25 mei gepubliceerd in Science. In dit onderzoek is een uitgebreidere analyse gedaan door meerdere stikstofbindende planten te vergelijken met soortgenoten die geen stikstof kunnen binden. Een internationale groep onderzoekers, met Kohlen, vergeleek dertig plantensoorten met en zonder symbiose en constateert dat de planten zonder stikstofbinding in elk geval twee genen zijn kwijtgeraakt tijdens de evolutie.

Kohlen: ‘We denken dat maar een handvol genen exclusief bedoeld zijn voor de stikstofbinding. Maar vermoedelijk werken deze genen weer samen met andere genen die nog wel aanwezig zijn in deze planten. De evolutie leert ons wat we moeten doen om deze planten weer symbiotisch te maken.’


Re:ageer