Micro-organismen helpen planten

Dossier
Planten leven intiem samen met micro-organismen in de bodem. Het NIOO onderzoekt hun interacties. Dat draagt bij aan duurzamere landbouw en een beter klimaat.
Sorghum field infected with the parasitic plant Striga
© Taye Tessema

Planten leven nauw samen met een grote verscheidenheid aan ondergrondse micro-organismen. Deze microben leven van de stoffen die plantenwortels uitscheiden. Op hun beurt bevorderen de microben de groei en gezondheid van de planten. NIOO-wetenschappers onderzoeken deze interacties. Zo hopen ze de samenstelling en activiteit van deze micro-organismen te kunnen sturen. Het doel? Een duurzamere landbouw en minder uitstoot van broeikasgassen.

In elke theelepel aarde leven honderden miljoenen bacteriën, virussen en schimmels. Samen vormen zij een complexe gemeenschap die nauw samenleeft met plantenwortels. Mensen associëren microben vaak met ziekten, maar in feite zijn veel van de relaties tussen planten en microben juist positief. De microben maken voedingsstoffen beschikbaar voor de planten en helpen ze bij hun afweer tegen droogte, ziekten en plagen. In ruil daarvoor voorzien de planten ‘hun’ micro-organismen van suikers en andere organische stoffen.

Veel van deze interacties zijn verbazingwekkend complex: ze bestaan uit domino-effecten die met elkaar zijn vervlochten. De uitkomst bepaalt hoe planten groeien en met elkaar concurreren, hoe ze hulp inroepen als ze in nood zijn, en zelfs welke broeikasgassen – en hoeveel – er vrijkomen uit de bodem.

“Bij het NIOO onderzoeken we de ecologie, genetica en chemie van deze interacties”, zegt Jos Raaijmakers, hoofd van de NIOO-afdeling Microbiële Ecologie en hoogleraar Microbiële Ecologie aan de Universiteit Leiden. “Als we beter weten wat zich allemaal afspeelt rond die plantenwortels, dan kunnen we die microbiomen wellicht naar onze hand zetten. We kunnen ze inzetten voor het verbeteren van de gezondheid en productiviteit van planten, en zelfs voor het terugbrengen van de uitstoot van broeikasgassen.”

Maar weinig mensen realiseren zich dat er op en rond plantenwortels een wereld aan micro-organismen leeft – net als bijvoorbeeld in onze menselijke darm. Net als in ons lichaam vervullen deze micro-organismen een rijk palet aan ecologische functies. “Daar weten we eigenlijk nog maar weinig van”, zegt Raaijmakers. “Bij het NIOO proberen we van de natuur te leren en de kennis te benutten voor duurzamere productie van landbouwgewassen.”

Wietse de Boer, senior scientist bij het NIOO en bijzonder hoogleraar Microbiële Bodemecologie aan Wageningen University: “Als je deze microben voorziet van het juiste voedsel en de juiste groeicondities, dan verbeteren ze de groei en de gezondheid van planten. Op die manier kun je het gebruik van kunstmest en bestrijdingsmiddelen fors terugdringen. Maar om dat te kunnen doen, moeten we eerst meer zicht krijgen op die relaties tussen planten en microben én tussen microben onderling. We willen begrijpen wat de invloed is van die complexe netwerken op het ecosysteem als geheel.”

Microben terugbrengen

Een van de NIOO-projecten is getiteld ‘Back2Roots’. Het onderzoekt de invloed van plantenveredeling op de bijbehorende microbiomen en hun interacties. “Er zijn tijdens de veredeling niet alleen planteneigenschappen verloren gegaan, maar ook bepaalde microben”, vertelt Raaijmakers. “In sommige gevallen zouden we die ‘missing microbes’ wel willen identificeren en terugbrengen, zodat ze weer hun belangrijke functies kunnen gaan vervullen.”

Daarvoor moeten de wetenschappers eerst in kaart brengen welke de eigenschappen en genen van de wilde verwanten van onze landbouwgewassen, zoals tomaat en aardappel, samenhangen met welke microben en welke nuttige functies. De volgende stap is uitvinden hoe je deze microben in landbouwgrond kunt bevorderen. Bijvoorbeeld door microben te introduceren via plantenzaden, of door de nog aanwezige microben te stimuleren met bepaalde voedingsstoffen. Je zou ook genen kunnen terugbrengen in de gewassen, waardoor zij weer bepaalde organische stoffen gaan uitscheiden die de goede microben aantrekken of activeren.

Microben ‘kweken’

Eiko Kuramae is senior scientist bij het NIOO en hoogleraar Community Ecology & Environmental Genomics aan de Universiteit Utrecht. Haar specialiteit is de relatie tussen planten, bodemmicrobiomen en de uitstoot van stikstofoxiden. “We ‘kweken’ als het ware microben”, vertelt ze, “om planten van voedingsstoffen te voorzien, de bodem te verbeteren en de uitstoot van N2O te beperken.”

Microbial Farming’ is een concept dat Kuramae heeft ontwikkeld. Het doel is de relaties tussen planten en bodemorganismen te versterken. “Uiteindelijk kan dat zorgen voor een efficiënter gebruik van voedingsstoffen door de planten”, legt ze uit. “Microbial Farming omvat dus manieren om bodemorganismen zodanig stuurt dat ze planten beter laten groeien en ook allerlei andere diensten leveren, zoals stikstof vastleggen, fosfaat beschikbaar maken en de uitstoot van broeikasgassen verminderen.”

In hun project werken Kuramae en collega’s samen met de producenten van plantenzaden en -zaailingen, onder andere van chrysanten en komkommers. Door bepaalde voedingsstoffen aan de bodem toe te voegen, stimuleren ze de relaties tussen de planten en de microben. “Daarvoor gebruiken we ook organische stoffen uit afvalmaterialen.”

Daarmee draagt deze aanpak ook bij aan een circulaire economie, aldus afdelingshoofd Raaijmakers: “Het gebruik van reststromen om nuttige microben te stimuleren.”

Gewasbescherming

Wietse de Boer onderzoekt het inzetten van microbiomen voor gewasbescherming. Hij richt zich vooral op competitie tussen schimmels en bacteriën. “Zodra bodemschimmels in aantal toenemen, moeten de bacteriën zichzelf wapenen”, vertelt hij. “Binnen de bacteriegemeenschap treedt er dan een verschuiving op richting bacteriën met schimmelwerende eigenschappen. Dit concept kunnen we benutten om planten te beschermen tegen ziekten.”

Dat kun je bijvoorbeeld doen door de schimmels vaste organische stoffen te ‘voeren’, zoals zaagsel van loofbomen. Dat geeft schimmels een snelle, maar langdurige boost. De bacteriën zullen vervolgens antischimmelstoffen gaan produceren, die gunstig zijn voor de gewassen van de boer. “Dit werkt in de praktijk vrij goed”, zegt De Boer. “Daarnaast wordt het bodemvoedselweb complexer. Als er meer schimmels in de bodem zitten, komen er ook meer organismen die daarvan leven, zoals nematoden en andere ongewervelden. Die vormen het voedsel voor een heel scala aan organismen. Meer biodiversiteit betekent een grotere weerbaarheid tegen droogte, ziekten en plagen.”

Samen met de praktijk

Dit zijn slechts een paar voorbeelden van NIOO-projecten, benadrukken de drie wetenschappers. “We werken aan een hele reeks grotere en kleinere projecten”, zegt Raaijmakers. “Meestal in samenwerking met andere onderzoekspartijen en met bedrijven.” Sommige projecten zijn fundamenteel van aard: ze zijn gericht op het begrijpen van concepten en mechanismen. Maar andere hebben een directe toepassing. “Voor ons is dat heel stimulerend”, vindt Raaijmakers “Daardoor werken we aan vragen die ook echt relevant zijn in de praktijk. En we kunnen onze oplossingen uittesten in het veld. Een hele vruchtbare samenwerking.”

Experts