De wereld van de rhizosfeer (de wereld direct om de plantenwortels heen) is een zeer bijzondere. Hier vindt namelijk een uitgebreide symbiose plaats tussen de plantenwortels aan de ene kant en schimmels, bacterien en ander bodemleven aan de andere kant. Dit wordt tegenwoordig gezien als een van de meest complexe ecosystemen van onze planeet.
In een blog verbeterde voedselproductie 14a heb ik geschreven hoe een aspect van de symbiose tussen wortels en bacterien beschreven: hoe de plantenwortels de bacterien als het ware melken om op die manier de gewenste voedingsstoffen binnen te krijgen.
In deze blog wil ik ingaan op aspecten die hier nauw aan verwant zijn: hoe het bodemleven en de plantenwortels elkaar wederzijds beinvoeden en hoe de plantenwortels bacterien herkennen.
Bij dit onderzoek is gekeken naar tomatenplanten. Hierbij zijn de wortels van de tomaten planten gescheiden in twee bakjes, waarbij de grond in het ene bakje steriel was, en die in het andere een gezond bodemleven had. Het onderzoek liet zien dat bacterien via een proces (dat de onderzoekers SIREM (Systemically Induced Root Exudation of Metabolites) hebben genoemd), zelf kunnen zorgen dat bepaalde metabolieten worden afgegeven door de plantenwortels. De afgifte van deze stoffen vond vervolgens in het hele wortelstelsel plaats, dus ook in het steriele deel waar de bacterien niet aanwezig waren. De bacterien die lokaal aanwezig waren, hadden dus invloed op de gehele wortelstelsel en beinvloeden daarmee mogelijk ook de samenstelling van de bodem daar waar zij (nog) niet aanwezig zijn.
Het lokken van stikstofbindende bacterien is echter maar een voorbeeld van wat een flavonoide kan doen. De plant heeft een enorm palet aan lokstoffen tot zijn beschikking en elke stof beinvloed de bodem en het bodemleven weer net iets anders. Zo worden deze lokstoffen ook gebruikt ter bestrijding van bepaalde wortelpathogenen.
Er blijkt echter wel een bijzonder mooie terugkoppeling te zijn. Een onderzoek wat in januari 2020 is gepubliceerd, (artikel, nieuwsbericht) heeft laten zien dat de hoe meer opgeloste koolstof (in plaats van vaste koolstof, zoals biochar) in de bodem aanwezig is, hoe sneller de flavonoide signalen uitdempen. Dit soort opgeloste koolstof kan bijvoorbeeld afkomstig zijn van plantaardig materiaal of compost. Het blijkt dat de opgeloste koolstof het voor plantenwortels heel lastig maakt om de stikstofbindende bacterien te lokken; de stoffen naringenine en luteoline, die de planten hiervoor gebruiken, konden door de opgeloste koolstof de stikstofbindende bacterien niet vinden. Afweer stoffen zoals Quercetine, werden echter niet afgeremd of beperkt door de opgeloste koolstof.
Doordat de signalen worden "verstoort", komen deze bacterien niet in de planten te wonen, waardoor de plant ook geen dure suikers aan ze hoeft te geven. Het plantaardig materiaal en de compost kunnen echter zorg dragen voor langzame levering van voedingsmiddelen (waaronder stikstof), dit heeft tot gevolg dat de bacterien ook niet nodig zijn voor de plant. Het verstoren van het signaal is dus een zeer nuttig mechanisme, om een overmaat aan stikstof en een mogelijke verzwakking van de plant (omdat hij teveel suiker kwijt is) te voorkomen.
Het blijkt dat de planten een heel specifiek eiwit maken, die het celmembraan van de bacterie herkent en vervolgens andere eiwitten aanstuurt om de voedingsstoffen uit deze cel te oogsten.
Het bijzondere hierbij is dat het eiwit voor de symbiose met abuscular mycorrhiza (zie een eerdere blog) en met stikstofbindende bacterien bijna hetzelfde is, en door hetzelfde gen (SYNTAXIN 132) gemaakt wordt. Symbiose tussen planten en schimmels en tussen planten en bacterien ligt dus mogelijk redelijk dicht tegen elkaar aan.
Bij vergaande samenwerking tussen plant en bacterie, waarbij de bacterien in de plant zelf wonen (bijvoorbeeld de rhizobia bacterien die stikstof binden), maken de planten eiwitten aan die specifiek voor deze bacterie zijn ontworpen, om de uitwisseling van stoffen vanuit deze bacterie te faciliteren.
Kortom, de samenwerking tussen planten en bacterien is een zeer verfijnd systeem van intensieve samenwerking en wederzijdse beinvloeding.
https://eurekalert.org/pub_releases/2020-02/liop-bi-020720.php
https://www.nature.com/articles/nplants2015197
https://www.pnas.org/content/117/7/3874
https://phys.org/news/2020-01-scientists-soil-environment-cheap-steady.html
https://phys.org/news/2020-02-bacterial-influencersrhizosphere-microbiome-root-metabolite.html
https://www.sciencedaily.com/releases/2016/01/160112114118.htm
In een blog verbeterde voedselproductie 14a heb ik geschreven hoe een aspect van de symbiose tussen wortels en bacterien beschreven: hoe de plantenwortels de bacterien als het ware melken om op die manier de gewenste voedingsstoffen binnen te krijgen.
In deze blog wil ik ingaan op aspecten die hier nauw aan verwant zijn: hoe het bodemleven en de plantenwortels elkaar wederzijds beinvoeden en hoe de plantenwortels bacterien herkennen.
Het bodemleven beinvloed de plantenwortels
Een onderzoek wat in februari 2020 is gepubliceerd (artikel, nieuwsbericht 1, nieuwsbericht 2) is beschreven hoe bacterien in de bodem de plantenwortels zodanig beinvloeden dat ze de chemische samenstelling van de uitgescheiden metabolieten veranderen.Bij dit onderzoek is gekeken naar tomatenplanten. Hierbij zijn de wortels van de tomaten planten gescheiden in twee bakjes, waarbij de grond in het ene bakje steriel was, en die in het andere een gezond bodemleven had. Het onderzoek liet zien dat bacterien via een proces (dat de onderzoekers SIREM (Systemically Induced Root Exudation of Metabolites) hebben genoemd), zelf kunnen zorgen dat bepaalde metabolieten worden afgegeven door de plantenwortels. De afgifte van deze stoffen vond vervolgens in het hele wortelstelsel plaats, dus ook in het steriele deel waar de bacterien niet aanwezig waren. De bacterien die lokaal aanwezig waren, hadden dus invloed op de gehele wortelstelsel en beinvloeden daarmee mogelijk ook de samenstelling van de bodem daar waar zij (nog) niet aanwezig zijn.
 |
| Bron: https://www.pnas.org/content/117/7/3874; https://www.pnas.org/content/pnas/117/7/3874/F6.large.jpg |
De plantenwortels beinvloeden het bodemleven
Plantenwortels proberen invloed uit te oefenen op wat er in de bodem gebeurt en wie daar leven, door het afgeven van zogeheten flavonoiden. Een van de dingen die deze flavonioden bijvoorbeeld kunnen doen is het aantrekken van stikstofbindende bacterien. De aangetrokken stikstofbindende bacterie infecteert de plant, en maakt vervolgens kleine lobben, waar de stikstof wordt gebonden, en waar de plant dan zijn benodigde stikstof vandaan krijgt. De symbiose tussen bacterien en planten is voor een plant vrij duur (er moet veel suiker worden geleverd aan de bacterien om de benodigde voedingsstoffen terug te krijgen), maar als de plant daarmee een duidelijk voordeel heeft ten opzichte van de omgeving is dit kennelijk de suiker meer dan waard.Het lokken van stikstofbindende bacterien is echter maar een voorbeeld van wat een flavonoide kan doen. De plant heeft een enorm palet aan lokstoffen tot zijn beschikking en elke stof beinvloed de bodem en het bodemleven weer net iets anders. Zo worden deze lokstoffen ook gebruikt ter bestrijding van bepaalde wortelpathogenen.
Er blijkt echter wel een bijzonder mooie terugkoppeling te zijn. Een onderzoek wat in januari 2020 is gepubliceerd, (artikel, nieuwsbericht) heeft laten zien dat de hoe meer opgeloste koolstof (in plaats van vaste koolstof, zoals biochar) in de bodem aanwezig is, hoe sneller de flavonoide signalen uitdempen. Dit soort opgeloste koolstof kan bijvoorbeeld afkomstig zijn van plantaardig materiaal of compost. Het blijkt dat de opgeloste koolstof het voor plantenwortels heel lastig maakt om de stikstofbindende bacterien te lokken; de stoffen naringenine en luteoline, die de planten hiervoor gebruiken, konden door de opgeloste koolstof de stikstofbindende bacterien niet vinden. Afweer stoffen zoals Quercetine, werden echter niet afgeremd of beperkt door de opgeloste koolstof.
Doordat de signalen worden "verstoort", komen deze bacterien niet in de planten te wonen, waardoor de plant ook geen dure suikers aan ze hoeft te geven. Het plantaardig materiaal en de compost kunnen echter zorg dragen voor langzame levering van voedingsmiddelen (waaronder stikstof), dit heeft tot gevolg dat de bacterien ook niet nodig zijn voor de plant. Het verstoren van het signaal is dus een zeer nuttig mechanisme, om een overmaat aan stikstof en een mogelijke verzwakking van de plant (omdat hij teveel suiker kwijt is) te voorkomen.
Hoe herkennen planten de juiste bacterien (voor stikstofbinding)
Als een plant in staat is om lokstoffen te maken voor of tegen bepaalde bacterien, hoe herkent een plant dan welke bacterie het is? En als stikstofbindende (rhizobia) bacterien in een knolletje in de plant leven, hoe weet de plant dan welke cel een plantencel is en welke cel een bacterie is? Een studie uit 2016 (artikel, nieuwsbericht) geeft hier een inkijkje in.Het blijkt dat de planten een heel specifiek eiwit maken, die het celmembraan van de bacterie herkent en vervolgens andere eiwitten aanstuurt om de voedingsstoffen uit deze cel te oogsten.
Het bijzondere hierbij is dat het eiwit voor de symbiose met abuscular mycorrhiza (zie een eerdere blog) en met stikstofbindende bacterien bijna hetzelfde is, en door hetzelfde gen (SYNTAXIN 132) gemaakt wordt. Symbiose tussen planten en schimmels en tussen planten en bacterien ligt dus mogelijk redelijk dicht tegen elkaar aan.
Conclusie
De rhizosfeer (de wereld direct om de plantenwortels heen) is een zeer complexe wereld. Planten en bacterien en ander bodemleven leven hier in een hechte samenwerking. Planten zijn voor het krijgen van hun voedingstoffen, anders dan glucose, onder andere van de bacterien afhankelijk. Maar de bacterien die deze voedingsstoffen aanleveren, zijn voor hun glucose voorziening afhankelijk van de planten. Het bijzondere is hierbij dat er wederzijdse aantrekkingskracht is: bacterien kunnen zorgen dat plantenwortels bepaalde stoffen afgeven die voor hun nuttig zijn, maar planten kunnen met lokstoffen ook bepaalde bacterien aantrekken. Hierbij kan het voorkomen dat door een bepaalde bodemsamenstelling de lokstoffen uitdempen, omdat het lokken niet nodig is (omdat er bijvoorbeeld genoeg stikstof in de compost zit en dus stikstofbindende bacterien niet nodig zijn).Bij vergaande samenwerking tussen plant en bacterie, waarbij de bacterien in de plant zelf wonen (bijvoorbeeld de rhizobia bacterien die stikstof binden), maken de planten eiwitten aan die specifiek voor deze bacterie zijn ontworpen, om de uitwisseling van stoffen vanuit deze bacterie te faciliteren.
Kortom, de samenwerking tussen planten en bacterien is een zeer verfijnd systeem van intensieve samenwerking en wederzijdse beinvloeding.
Bronnen:
https://advances.sciencemag.org/content/6/5/eaax8254https://eurekalert.org/pub_releases/2020-02/liop-bi-020720.php
https://www.nature.com/articles/nplants2015197
https://www.pnas.org/content/117/7/3874
https://phys.org/news/2020-01-scientists-soil-environment-cheap-steady.html
https://phys.org/news/2020-02-bacterial-influencersrhizosphere-microbiome-root-metabolite.html
https://www.sciencedaily.com/releases/2016/01/160112114118.htm
Geen opmerkingen:
Een reactie posten