Net als al het andere leven op aarde hebben planten stikstof nodig, onder meer voor hun eiwitten en DNA-regulatie. Ondanks dat onze atmosfeer voor 78% bestaat uit stikstofgas (N₂), is deze vorm van stikstof niet bruikbaar voor de meeste organismen. Het kost veel energie om de driedubbele binding tussen de twee stikstofatomen te breken. De meeste planten gebruiken daarom ammonia of nitraat om aan hun stikstofbehoefde te voldoen.

‘Ik wil genetische constructen in cassave zetten’

Er zijn drie manieren om atmosferische stikstof om te zetten in een voor organismen bruikbare vorm. De eerste is ontlading bij onweer: daardoor komt er soms nitraat in regendruppels terecht. Ten tweede zijn er bepaalde bacteriën, de zogeheten stikstoffixeerders, die beschikken over het nitrogenase-enzymcomplex dat N₂ kan omzetten in ammonia. Deze Rhizobium-bacteriën leven in symbiose met vlinderbloemige planten, met name klavers, in speciale orgaantjes: de wortelknolletjes (zie openingsfoto). Zo maken ze de stikstof voor de plant beschikbaar. Ten slotte is er het door chemici ontworpen Haber-Boschproces. Dat legde de basis voor de productie van kunstmest – een product waarvan inmiddels de helft van de wereldbevolking afhankelijk is.

Zonder kunstmest is de moderne, intensieve landbouw niet mogelijk. Maar gebruik van kunstmest is zeer inefficiënt. Planten nemen maar 20 tot 50% van de toegevoegde stikstofverbindingen op. De rest spoelt weg naar het oppervlaktewater. Dat leidt tot algenbloei en vervolgens tot zuurstofloze dead zones. Daarnaast kunnen bacteriën ook de toegevoegde ammonium en nitraat omzetten in het potente broeikasgas N₂O. Dan is er nog een eerlijkheidskwestie: niet alle boeren hebben toegang tot kunstmest.

Nieuwe orgaantjes

Maar wat nu als je ook ándere planten ertoe zou kunnen aanzetten wortelknolletjes te maken met daarin stofstoffixerende bacteriën? Dan zou je geen of in elk geval veel minder kunstmest nodig hebben. Rene Geurts, universitair hoofddocent moleculaire biologie bij Wageningen University & Research, denkt dat dit kan. Of dat er in ieder geval genoeg informatie is om een serieuze poging te wagen.

Om vlinderbloemige planten zoals klavers te infecteren, maken Rhizobium-bacteriën bepaalde suikers aan: lipochito-oligosacchariden. Die werken als zogeheten Nod-factoren. Dat zijn stoffen die aanzetten tot nodulation, oftewel knolletjesvorming. Wortelcellen van vlinderbloemigen hebben een receptor die de Nod-factoren herkent en dan de ontwikkeling van een wortelknolletje in gang zet. Dit begint met de deling van cellen in de cortex – de buitenste laag – van de wortel. ‘Deze delende cellen’, zegt Geurts, ‘hebben een unieke eigenschap: ze zijn infecteerbaar door Rhizobium.’ Eenmaal binnengekomen differentieert Rhizobium zich. Hij gaat zich volledig richten op maar één taak: stikstof binden. In ruil voor de vastgelegde stikstof voorziet de plant de bacterie van voedingstoffen.

‘100 miljoen jaar geleden splitsten planten met wortelknolletjes zich af van de rest’

Daarnaast hebben wortelknolletjes nog een belangrijke taak: het wegvangen van zuurstof. Nitrogenase, het bacteriële enzymcomplex dat N₂ omzet in ammonia, werkt alleen in een zuurstofarme omgeving. Om die te creëren produceert de plant leghemoglobine, de plantaardige vorm van hemoglobine. De heemgroep van leghemoglobine bindt zuurstof, en reguleert zo de zuurstofspanning in wortelknolletjes.

Drie sleutelgenen

Meer dan tweehonderd plantengenen hebben een rol in dit proces: veel te veel om over te zetten in andere planten. Door stikstoffixerende planten te vergelijken met niet-stikstoffixerende planten, en vlinderbloemigen met niet-vlinderbloemigen, bracht Geurts het aantal essentiële genen terug naar drie. Veel van de andere tweehonderd genen bleken al aanwezig te zijn in andere planten.

Een van de drie overgebleven genen codeert voor een Nod-factorreceptor, NFR5, nodig voor herkenning van de stikstoffixerende bacterie. Het tweede gen codeert voor een transcriptiefactor, NIN, de masterregulator van de ontwikkeling van wortelknolletjes en het toelaten van de bacterie. Het derde gen, RPG, is betrokken bij het binnenlaten van de bacterie.

Met deze drie genen zouden in theorie ook andere planten wortelknolletjes moeten kunnen maken. Maar zo simpel is in de praktijk niet, aldus Geurts: ‘Het is 100 miljoen jaar geleden dat de planten met wortelknolletjes zich afsplitsten van de rest. Sindsdien hebben er allerlei evolutionaire veranderingen plaatsgevonden.’ Om de kans van slagen te vergroten, liet Geurts zijn oog daarom vallen op een plant die evolutionair gezien dicht bij de vlinderbloemigen staat: cassave, een struik die bekendstaat om zijn eetbare wortelknol.

‘Er is wel een verschil tussen onderzoek naar een nieuw mechanisme, en engineering’

‘Ik wil genetische constructen in cassave zetten die in nodulerende planten hoogstwaarschijnlijk een generieke functionaliteit hebben’, zegt Geurts. In eerste instantie focust zijn groep zich op de Nod-factorreceptor en de transcriptiefactor. ‘Daarbij kijken we of je door inbreng van deze twee genen een Rhizobium-geïnduceerd wortelknolletje kunt krijgen.’ Om extra kennis te verzamelen, doen ze niet alleen minutieus onderzoek naar dit natuurlijke proces in vlinderbloemigen, maar ook in de tropische boom Parasponia. Dat is een van de weinige niet-vlinderbloemigen die een symbiose kunnen aangaan met Rhizobium.

De opgedane kennis nemen de onderzoekers mee in het engineeringsgedeelte van het project: de ontwikkeling van de genetische constructen die ze willen inbrengen in cassave. ‘Er is wel een verschil tussen onderzoek naar nieuw mechanisme, waarbij je iets vindt of niet’, zegt Geurts ‘en engineering.’ Bij engineering zijn er veel testronden, met als doel het optimaliseren van constructen. Het grootste knelpunt hierbij ligt in de bouwfase: het verkrijgen van planten met het te testen construct in hun genoom. Geurts en zijn collega’s hebben de duur van deze fase al teruggebracht van 2 jaar naar iets meer dan 6 maanden, maar het liefst heeft de onderzoeksleider een nóg kortere bouwfase, om veel constructen te kunnen testen binnen de duur van het project.

De ultieme test is natuurlijk het ontstaan van wortelknolletjes. Maar ook als dat niet gebeurt, dan is er nog genoeg te analyseren, zoals de activatie van genen en fysiologische en biochemische processen. Geurts: ‘Superleuk om te doen, want dat levert altijd wel wat nieuws op.’ Volgens Geurts is het team op de goede weg; veel meer dan dat wil hij niet prijsgeven. Hooguit nog deze relativering: ‘Het is niet zo dat we binnen vijf tot tien jaar stikstofbindende cassave, mais of tarwe hebben.’