Universitair docent Aleksandr Gavrin van de afdeling Moleculaire Biologie en Genetica aan de Aarhus Universiteit heeft een subsidie ontvangen binnen het Green Research-programma van het Deense Onafhankelijke Onderzoeksfonds. Zijn project richt zich op het verbeteren van de efficiëntie van biologische stikstoffixatie in peulvruchten – het proces waarmee planten op natuurlijke wijze stikstof opnemen en zo de behoefte aan kunstmest verminderen.
© Helene Eriksen
Stikstof is onmisbaar voor plantengroei, maar de meeste planten kunnen geen gebruikmaken van de enorme atmosferische stikstofvoorraad omdat deze voornamelijk voorkomt als het inactieve distikstof (N₂). De tuinbouw is daardoor sterk afhankelijk van synthetische stikstofmeststoffen. Slechts een deel daarvan wordt door gewassen opgenomen; de rest spoelt weg, wat economische verliezen en milieuschade veroorzaakt. Peulvruchten vormen daarop een uitzondering: zij werken samen met bodembacteriën, rhizobia, die atmosferische stikstof omzetten in een voor planten bruikbare vorm via symbiotische stikstoffixatie.
"De natuur heeft de uitdaging van stikstofbeperking al opgelost," zegt Aleksandr Gavrin. "Peulvruchten maken speciale wortelorganen, knobbeltjes, waarin bacteriën stikstof voor de plant omzetten. In ruil daarvoor levert de plant suikers. Het is een prachtig uitgebalanceerde wisselwerking die beide partners ondersteunt."
De Europese Commissie heeft onlangs bio-gebaseerde meststoffen en biologische stikstoffixatie aangewezen als belangrijke strategieën om tegen 2050 klimaatneutraliteit te bereiken, wat het belang van dit onderzoeksveld onderstreept.
© Helene Eriksen
Het verfijnen van het stikstoffixatieproces
Hoewel deze symbiose bijzonder efficiënt is, wordt ze streng gereguleerd. Planten bepalen zelf het tempo van stikstoffixatie, afhankelijk van hun voedingsbehoefte en de omstandigheden. Het nieuwe project van Gavrin richt zich op het ontrafelen van de moleculaire mechanismen achter deze regulatie.
"Zoals elk biologisch proces kent stikstoffixatie zowel positieve als negatieve regulatie," licht hij toe. "We willen begrijpen hoe de plant dit tempo aanpast en of we het voorzichtig kunnen beïnvloeden om de efficiëntie te verhogen, zonder de plant te schaden."
Met geavanceerde moleculaire en biochemische methoden onderzoekt Gavrins team hoe cytoplasmatische signalering de activiteit van stikstoffixerende bacteriën in de wortelknobbeltjes beïnvloedt. De focus ligt op cytoplasmatische signaalcascades die vermoedelijk optreden als negatieve regulatoren van symbiotische stikstoffixatie.
Door deze negatieve regulatiemechanismen te identificeren en mogelijk uit te schakelen, wil het project nagaan of peulvruchten – met niet-transgene methoden – kunnen worden veredeld voor een verbeterde stikstoffixerende capaciteit. Verschillende graanpeulvruchten, zoals erwten, kikkererwten, linzen en tuinbonen, beschikken al over gemuteerde populaties die voor traditionele veredeling kunnen worden ingezet.
Een internationale samenwerking
Het project wordt uitgevoerd in nauwe samenwerking met professor Justin Lee en zijn onderzoeksgroep in Duitsland.
"Dit is mijn eerste gesubsidieerde samenwerking," zegt Gavrin. "Het is een echte samenwerking waarin beide partijen financiering krijgen en samen nieuwe regulatiemechanismen in symbiotische stikstoffixatie gaan identificeren."
Lee, verbonden aan het Leibniz Institute of Plant Biochemistry in Halle, is een expert op het gebied van kinase-gemedieerde cytoplasmatische signalering en daarmee een belangrijke partner in het onderzoek naar nieuwe routes in de biologie van peulvruchten.
De samenwerking draagt niet alleen bij aan fundamentele kennis over plant-microbe-interacties, maar ondersteunt ook duurzame tuinbouw door de afhankelijkheid van milieubelastende meststoffen te verminderen.
Op weg naar groenere tuinbouw
Door inzicht te krijgen in de manier waarop peulvruchten van nature symbiotische stikstofopname reguleren, kan het onderzoek de weg vrijmaken voor het veredelen van gewassen die meer zelfvoorzienend zijn.
"Als we leren hoe we stikstoffixatie kunnen verfijnen, kunnen we in de toekomst misschien peulvruchten produceren die hogere opbrengsten geven met minder mest," zegt Gavrin. "Het is een kleine, maar belangrijke stap naar een duurzamere toekomst – en misschien zelfs naar een wereld waarin we allemaal wat meer erwten en bonen eten, en iets minder pizza en pasta," voegt hij met een glimlach toe.
Het project Verhogen van Symbiotische Stikstoffixatie via Modulatie van Cytoplasmatische Signalen wordt gefinancierd via het Green Research-programma van het Deense Onafhankelijke Onderzoeksfonds, dat innovatieve projecten ondersteunt die bijdragen aan milieuvriendelijke oplossingen. In totaal ontvangt het project 6,7 miljoen DKK.
Bron: Aarhus Universiteit
