Heilige graal stikstofbinding onder handbereik

Al bijna een halve eeuw zoeken moleculair biologen naar de heilige graal van biologische stikstofbinding door granen. Onlangs zijn onderzoekers van MIT en de Washington State University erin geslaagd om bacteriën, die met granen samenleven, stikstof vast te laten leggen. Zij publiceereden erover in het wetenschappelijk tijdschift Nature. Daarmee zou eindelijk de droom van de wizard, de tovenaar Norman Borlaug, vader van de groene revolutie, op afzienbare termijn bewaarheid worden.

Dit jaar is het vijftig jaar geleden dat de Amerikaan Norman Borlaug de Nobelprijs voor de Vrede kreeg voor zijn enorme bijdrage aan de verbetering van de voedselproductie. In zijn speech bij de aanvaarding van de prijs vertelde hij over zijn droom: Groene akkers met levenskrachtige, hoogproductieve graangewassen als tarwe, rijst, maïs, sorghum en gierst. Gewassen die gratis worden voorzien van 100 kilo stikstof per hectare, uit de lucht gehaald door stikstofbindende bacteriën.

Het zijn, aldus Borlaug, mutanten van het geslacht Rhizobium cereales, ontwikkeld in 1990 in een grootschalig kweekprogramma op basis van Rhizobiumsoorten die samenleven met vlinderbloemigen zoals erwten, bonen en soja. Een wetenschappelijke ontdekking die het leven van honderden miljoenen nederige boeren ingrijpend zou veranderen. Ze konden nu immers beschikken over een gratis bron van stikstof als voeding voor hun graangewassen.

Precisiebemesting

Borlaug hield er dus al rekening mee dat het wel twintig jaar kon duren, voordat zijn droom van gratis stikstof voor graangewassen uit zou komen. Even leek het erop dat hij te pessimistisch was. In 1972 namelijk, twee jaar na zijn Nobelprijs, slaagden twee Australische onderzoekers erin om de genen verantwoordelijk voor stikstofbinding over te zetten in wat toen wel het huisdier van de moleculaire biologen werd genoemd, de darmbacterie E.coli.

Het vroege succes leidde tot de nodige opwinding. Wereldwijd stortten onderzoekers zich op die nif-genen (nif staat voor nitrogen fixing). Immers als je ze over zou kunnen planten in een graangewas, zou je veel minder kunstmest of dierlijke mest nodig hebben. Bijkomend voordeel is dat de stikstofvoeding wordt geleverd op het moment dat de plant er behoefte aan heeft. Anders dan bij kunstmest en dierlijke mest, zou niet de helft van de toegevoegde stikstof in het milieu verdwijnen als ammoniak, nitraat of lachgas.

Bacteriën zijn geen planten

De droom was van korte duur. In de halve eeuw sinds Borlaug de Nobelprijs kreeg, bleek steeds weer hoe complex de genetica van graangewassen is, zeker als je ze probeert te verleiden om ingewikkelde cluster van bacterie-genen te gebruiken als blauwdruk voor een machinerie om stikstof vast te leggen. Genen van planten (eukaryoten) worden namelijk op een heel andere manier afgelezen dan genen van bacteriën (prokaryoten). Een complicerende factor is dat de stikstofbindende machinerie slecht tegen zuurstof kan, veel energie vergt en het bijltje erbij neer gooit als er andere bronnen van stikstof in de buurt zijn.

Organellen inzetten

Fast forward naar het heden. Er is veel onderzoek gedaan en er zijn ook wel successen geboekt, maar de Heilige Graal, een graangewas dat grotendeel in zijn eigen stikstofbehoefte kan voorzien, is nog niet gevonden. Het blijkt (te) lastig om een ingewikkelde, bacteriële machine in een plant aan de praat te krijgen.

De groep van Christopher Voigt van het MIT volgde daarom al een tijdje een andere route. Zo probeerden ze om de nif-genen, in te bouwen in mitochondriën en chloroplasten. Kleine organellen in de plantencel die zorgen voor de energievoorziening (mitochondrien) en voor omzetten van zonlicht in biomassa. Van oorsprong zijn deze organellen waarschijnlijk algen en bacteriën, die een samenlevingscontract met een primitieve eukaryoot zijn aangegaan en samen zijn uitgegroeid tot planten; ze beschikken ook over hun eigen erfelijk materiaal. Het lukte hen inderdaad om de genetische blauwdruk voor stikstofbinding in te brengen en aan de praat te krijgen, maar het hield nog niet over. Een recent overzicht vind je hier

Andere symbionten

Ondertussen was er meer bekend geworden over een lokaal maïsras, dat al jaren geleden was aangetroffen hoog in de bergen van de Mexicaanse deelstaat Oaxaca. In een dikke laag slijm op de luchtwortels van de maisplant bleken zich nif-genen te bevinden. We schreven er eerder over op deze paginas. Mogelijk hierdoor geïnspireerd gingen de onderzoekers van MIT, samen met collegas van Washington State University en de Britse University of Oxford op zoek naar bacteriën die in symbiose leven met graangewassen. Door nif-genen in te bouwen in die commensalen, zou je de plant ook van stikstof kunnen voorzien.

In hun recente publicatie beschrijven ze hoe ze stikstofbinding aan de praat kregen in twee bacteriën die in de wortels van granen leven (voor de liefhebbers: : Azorhizobium caulinodans en Rhizobium sp. IRBG74) en in een bacterie die op de plant leeft, Pseudomonas protegens. Laatstgenoemde is ook bekend als beschermer van de plant tegen insecten, aaltjes en andere belagers. In alle gevallen lukte het de stikstofbinding aan de gang te houden, ook bij aanwezigheid van zuurstof en van andere stikstofbronnen, die normaliter remmend werken.

Energie

Een mooi resultaat, maar er zijn nog wel vragen. Naar de betekenis voor de praktijk bijvoorbeeld, maar dat is in dit stadium van het onderzoek een beetje een dooddoener. Interessanter is de vraag wat de stikstofbinding de plant kost. Symbiose - samenleven - komt van twee kanten. De bacterie levert de stikstof, maar verwacht in ruil daarvoor energierijke exsudaten, zoals suikers en aminozuren. Die energie moet ergens vandaan komen en dat gaat ten koste van de opbrengst. Vragen genoeg dus, maar dat het nog eens vijftig jaar zal duren voor de droom van Borlaug is gerealiseerd, is niet waarschijnlijk.

Een mening over dit artikel? Reageer op onze Twitter, Facebook, Instagram of LinkedIn. Een opinieartikel is ook van harte welkom. Mail dan even met de redactie (redactie@vork.org). Geïnteresseerd in de andere artikelen van VORK? Word abonnee, vraag een gratis proefnummer aan en schrijf je in voor de tweewekelijkse Vork-nieuwsbrief. Student? Wellicht is het speciale studentenabonnement dan iets voor jou.

Tekst: Joost van Kasteren Beeld: Wikimedia