Plant en parasiet verzoenen zich razendsnel

Al binnen een paar generaties kunnen bacteriën op planten zich aanpassen van profiteur naar compagnon. Biologen zagen hoe een parasitaire bacterie zich razendsnel aanpast naar een variant die gunstig is voor zowel de plant als hemzelf. Dit maakt de weg vrij voor speciale bacteriële mest voor gewassen, aldus de onderzoekers. De resultaten zijn gepubliceerd in de vakbladen Nature Communications en mBio.

Net zoals de darmen van een mens worden bevolkt door micro-organismen, zijn ook plantenwortels een gewilde woonplaats voor bacteriën. Daar voeren ze allerlei taken uit die gunstig zijn voor de plant. Ze beschermen de wortels, helpen water op te nemen uit de grond en maken het voor de plant gemakkelijker om voedingstoffen uit de bodem te halen.

Ongunstige bacteriën bestaan ook. Die onttrekken stoffen aan de wortel, maar leveren geen tegenprestatie of zijn zelfs schadelijk voor de plant. Dit soort parasitaire bacteriën kunnen echter binnen een paar generaties veranderen in nuttige organismen die juist de plant helpen. Biologen van de Universiteit Utrecht en de University of York ontdekten de razendsnelle evolutie, en melden nu hun resultaten in de vakbladen Nature Communications en mBio.

Symbiose na zes verhuizingen

De biologen ontdekten de omvorming bij zandraket-plantjes waarvan de wortels werden bedekt met schadelijke Pseudomonas-bacteriën. Toen de planten ziek werden van de bacterie, na ongeveer vier weken, plaatsten de biologen een deel van de bacteriën over op gezonde planten. Vervolgens werden ook die planten ziek, waarna de biologen wederom de bacteriën daarvan overplaatsten op nieuwe, gezonde planten.

Na iedere overplaatsing van bacteriën werden de nieuwe planten steeds wat minder ziek, zagen de biologen. Na zes opeenvolgende overplaatsingen werden de planten zelfs helemaal niet meer ziek van de bacterie. Sterker nog, de planten groeiden beter dan normaal.

Het tempo waarmee de bacterie evolueerde van parasitair naar gunstig is heel bijzonder. Dit is nog niet eerder waargenomen

“Het tempo waarmee de bacterie evolueerde van parasitair naar gunstig is heel bijzonder”, zegt Ronnie de Jonge, bioloog aan de Universiteit Utrecht en een van de onderzoeksleiders. “Dit is nog niet eerder waargenomen.”

Ook de bacterie profiteert

De extra groei van de planten was ook gunstig voor de bacterie in kwestie, aldus De Jonge. “Bacteriën op plantenwortels zijn afhankelijk van stoffen die door de wortel worden uitgescheden. Meer groei betekent meer stoffen die via de wortel naar buiten komen. Daar profiteert de bacterie van. We zagen uiteindelijk tientallen malen meer bacteriën dan in het beginstadium van het experiment.”

Vooral wanneer de omstandigheden minder gunstig zijn voor de plant, kan ‘bacteriemest’ voordelen bieden.

Bacteriële mest voor gewassen

De snelle evolutie van de bacteriën opent volgens De Jonge mogelijkheden om een soort bacteriële mest voor gewassen te maken. Door de bacteriën toe te voegen aan planten, kunnen ze in symbiose met elkaar leven, en tot een hogere gewasopbrengst leiden. Vooral wanneer de omstandigheden minder gunstig zijn voor de plant, kan de ‘bacteriemest’ volgens De Jonge voordelen bieden.

Precisielandbouw

Het moet zelfs mogelijk zijn om speciale samenstellingen van bacteriën te maken voor specifieke omstandigheden, aldus De Jonge. “In ons onderzoek zagen we dat de bacteriën heel specifiek reageren op de samenstelling van stoffen die door de wortel worden uitgescheiden, en zich daarop snel aanpassen. Door dezelfde tactiek toe te passen, zou je bacteriën speciaal kunnen laten evolueren voor planten die bijvoorbeeld staan op een akker die vaak droogvalt. Je selecteert dan de micro-organismen die floreren onder die specifieke droge omstandigheden. Zij kunnen de plant helpen omgaan met de droogte.”

Je zou bacteriën speciaal kunnen laten evolueren voor planten in ongunstige omstandigheden, bijvoorbeeld een akker die vaak droogvalt

Helpende bacteriën toevoegen aan planten is geen toekomstmuziek. Nu al kunnen veredelaars zaden leveren die zijn voorzien van speciale coatings waarin gunstige bacteriën zijn verwerkt. Na het kiemen helpen bacteriën uit de coating de planten omgaan met bijvoorbeeld ziekten of tekorten aan ijzer en fosfaat.

De onderzoekers voorzien zadencoatings van bacteriën die op maat zijn gemaakt.

Veredelaars werken daarbij vooralsnog vrij generiek. Ze willen de coatings voorzien van verschillende soorten bacteriën die voor allerlei omstandigheden gunstig zijn. De Jonge en collega’s voorzien juist bacteriecoatings die op maat zijn gemaakt. Voor specifieke planten en specifieke omstandigheden zou je aparte bacteriën kunnen ontwikkelen en die in de coatings verwerken. “Die bacteriën kunnen heel gericht hun werk doen en heel effectief zijn”, zegt De Jonge.

Proof of concept

Voordat zulke ‘precisiecoatings’ haalbaar zijn, is nog wel meer onderzoek nodig, aldus De Jonge. Zijn team gaat verder onderzoeken hoe de interacties tussen planten en parasieten in elkaar steken, en welke omstandigheden daarbij een rol spelen. “Voor deze proof of concept hebben we een vrij eenvoudige opzet gebuikt. We bestudeerden één plant, met één bacterie die voor zijn energie volledig afhankelijk is van de plant. Nu willen we ook complexere omstandigheden bestuderen, en verder nagaan hoe de samenstelling van uitgescheiden stoffen rondom de wortel uiteindelijk de micro-organismen beïnvloedt.”