Doet scheiden lijden? Een methode voor het kweken van symbiontvrije Psychotria planten.

Micro-organismen, de boeren van de toekomst

Hoewel kunstmest, herbiciden, genetische gemodificeerde organismen de productie van voedingsgewassen verhogen, is er nood aan innovatie en meer natuurlijkere mogelijkheden om de productie van deze gewassen op te drijven. Zouden micro-organismen de redding kunnen zijn?

‘Honger beëindigen, voedselzekerheid verschaffen, voedingswaarde verhogen en duurzame landbouw promoten’ is het tweede duurzame ontwikkelingsdoel in de Agenda 2030 van de VN. Door de explosieve populatie-aangroei zijn er heel wat uitdagingen hieraan verbonden, één daarvan is de toenemende druk op grondstoffen en het milieu. Als de huidige consumptiecijfers aanhouden, is tegen 2050 voor een wereldbevolking van ruim 9 miljard mensen de biologische capaciteit van twee aardbollen nodig. Een verdubbeling van de wereldwijde voedselproductiviteit is echter allesbehalve een eenvoudige opgave; deze mag namelijk de planeet niet extra belasten of de huidige biodiversiteit niet verder aantasten (Tscharntke et al. 2012). Steeds meer onderzoek toont aan dat het gebruik van kunstmest, insecticiden, herbiciden e.d. een negatief effect heeft op het milieu (Zhang et al., 2011). Het gebruik van genetisch gemodificeerde organismen (GGO) zou hierop een antwoord kunnen bieden, maar dit botst op zware kritiek binnen Europa, niet enkel omwille van het negatieve sentiment bij een groot deel van de bevolking, maar eveneens omwille van hun invloed op het milieu en de biodiversiteit (Stewart et al., 2003). De zoektocht naar valabele en aanvaardbare alternatieven om de voedselproductie te verhogen is daarom van groot belang. Het gebruik van micro-organismen kan één van de mogelijke alternatieven zijn. Een micro-organisme is een verzamelterm voor organismen van een microscopisch kleine grootte. Deze organismen kunnen behoren tot verschillende rijken namelijk bacteriën, schimmels, algen, enzovoorts... (Madigan M & Martinko J, 2006).

Waardige vervangers?

Micro-organismen hebben een belangrijke rol bij het functioneren van een ecosysteem. Deze kleine organismen zijn onder meer belangrijk voor het afbreken van biomassa, het verbeteren van omgevingskwaliteit en het stimuleren van de groei van gewassen (Imfeld & Vuilleumier, 2012). Deze productie kan indirect of direct beïnvloed worden. Directe beïnvloeding kan onder meer gebeuren via mutualismen tussen plant en micro-organisme waarbij het micro-organisme aanwezig is in de plant. Bij deze interactie worden de micro-organismen als endosymbionten en de planten die hen herbergen als gastheer aangeduid. Endosymbionten kunnen op verschillende manieren de productie verbeteren, ze kunnen bijvoorbeeld extra nutriënten verschaffen. Een voorbeeld hiervan is arbusculaire mycorrhizale fungi (AMF). Deze schimmels interageren met het merendeel van de landplanten en breiden het voedingsnetwerk van de gastheer uit door het wortelnetwerk van de plant te vergroten (Partida-Martinez & Heil, 2011). Sommige AMF worden al toegevoegd in de landbouw om de productie te verhogen en de hoeveelheid kunstmest te reduceren. Rhizobium-bacteriën zijn een ander voorbeeld om de productie te verhogen. Deze bacteriën zijn voornamelijk aanwezig binnen wortelknolletjes die vooral waargenomen worden in de plantenfamilie van de vlinderbloemigen. Deze micro-organismen zetten atmosferisch stikstof om naar een stikstofbron die voor de plant beschikbaar is (Partida-Martinez & Heil, 2011). Stikstof is een belangrijke element voor planten en vormt samen met kalium en fosfor de belangrijkste hoofdelementen in kunstmest (Cordell, 2010). Naast een voedingsvoordeel, kunnen micro-organismen het verdedigingsmechanisme van de plant verbeteren. Endosymbionten kunnen de plant tegen verschillende ziektekiemen beschermen, maar evenwel tegen plantenvraat door de plant onaantrekkelijk te maken door een slechte smaak of giftige stoffen (Partida-Martinez & Heil, 2011).

Boeren van de toekomst

Het verhogen van biomassa is in de natuur mogelijk door met micro-organismen te interageren. Zouden deze micro-organismen de artificiële methoden in de landbouw niet kunnen vervangen waardoor de belasting van de aarde sterk gereduceerd wordt. Het toevoegen van endosymbionten aan de planten als supplement kan verschillende moeilijkheden met zich meebrengen doordat op elke plant een gemeenschap van micro-organismen aanwezig is. Een extra soort aan deze gemeenschap toevoegen kan competitie veroorzaken waardoor het gewenste effect van de interactie teniet gedaan wordt. Door met een schone lei te beginnen, meer bepaald door een steriele plant te ontwikkelen kan dit probleem opgelost worden. Vervolgens zou je aan deze steriele plant alle geprefereerde endosymbionten kunnen toevoegen om de productie van je gewas maximaal te verhogen. In deze masterproef werden de eerste stappen gezet meer bepaald het ontwikkelen van een steriele plant. De plantensoorten die gebruikt werden, hebben geen economische toepassing, maar hebben een specifieke interactie met bacteriën die visueel waar te nemen is. De kolonies van de bacteriën kunnen namelijk gedetecteerd worden als donkere puntjes op de bladeren van de plant (Miller, 1990). De voordelen van deze bacterie zijn nog niet gekend. Het maken van een steriele plant zou meer inzicht in functie van deze interactie kunnen bieden. Aan de hand van de specifieke kiemingstechniek embryo rescue werd het steriele karakter van de planten verkregen. De kans op infectie door de bacterie werd gereduceerd door het embryo te verwijderen uit het gesteriliseerde zaad. Vervolgens werden de embryo’s verder gekweekt op een groeimedium dat de functie van het zaad overneemt en dat de embryo’s laat uitgroeien tot een kiemplant. Na het opgroeien van de planten werd de aanwezigheid van de bacterie visueel en moleculair geanalyseerd. Visueel door de aanwezigheid van de donkere puntjes op de bladeren na te gaan en moleculair door het DNA van de bacterie in de bladeren op te sporen. Er werden geen sporen van bacteriën teruggevonden met behulp van beide methodes wat aantoont dat de planten steriel waren. De voordelen van deze interactie voor de gastheer zijn nog steeds onduidelijk doordat er geen duidelijk veranderingen gedetecteerd werden ten opzichte van de planten met bacteriën. Verder onderzoek is nodig om de functie van de interactie te ontrafelen. De steriele planten zijn de eerste stap in het onderzoek. Later kunnen micro-organismen aan deze planten worden toegevoegd en kan onderzocht worden of micro-organismen de productie van de gewassen zodanig verhogen dat ze de mensen van morgen duurzaam van voldoende voedsel voorzien.