Gewassen weer samenbrengen met de micro-organismen waarmee hun voorouders in het wild samenleven, is een manier om ze weerbaarder te maken tegen ziekteverwekkers. Promovendus Dario Ramirez Villacis verzamelde aarde en micro-organismen in het Andesgebergte in Ecuador, de oorspronkelijke groeiplaats van wilde aardappelplanten. Hij toonde aan dat gecultiveerde aardappelplanten die groeien in grond met daarin herstelde gemeenschappen van micro-organismen, minder symptomen vertonen wanneer ze worden geïnfecteerd met de aardappelziekte (Phytophthora infestans). Ramirez Villacis verdedigde recent zijn proefschrift en zet zijn onderzoek voort aan de Universiteit Utrecht.
Hoog in de Andes leven de voorouders van de aardappelplanten die tegenwoordig op Nederlandse bodem groeien. Maar deze wilde aardappelplanten zijn heel anders dan de aardappelplanten die wij kennen. "De knollen van de wilde aardappelplanten zijn klein en smaken bitter," zegt Ramirez Villacis. "Door de eeuwen heen hebben wij de planten gedomesticeerd, waarbij we selecteerden op grote en smakelijke knollen."
© Universiteit Utrecht
Andere planten, gemeenschappen en omgevingen
Dit proces veranderde niet alleen de plant zelf. In het wild leven planten in gemeenschappen; met andere planten en dieren, maar ook met een heel scala aan micro-organismen, zoals bacteriën en schimmels. Sommige van deze micro-organismen hebben weinig invloed op de planten, maar andere kunnen gunstig of juist schadelijk zijn voor de planten.
"De chemische stoffen die zorgen voor de bittere smaak van de knollen zijn eigenlijk antimicrobiële stoffen," legt Ramirez Villacis uit. "Dankzij deze stoffen kan de plant de microben in haar omgeving beïnvloeden. Door te selecteren tegen bitterheid ontnamen we de plant het vermogen om haar omgeving te reguleren."
Bovendien worden gewassen geteeld in omgevingen die sterk door de mens zijn aangepast. "We ploegen de grond, voegen meststoffen toe en gebruiken bestrijdingsmiddelen. Al deze dingen verstoren het microbioom, de verzameling van micro-organismen, in de bodem," vertelt Ramirez Villacis. "Niet alle planten doen het even goed in zulke omstandigheden. Daarom hebben mensen geselecteerd op sterke planten, die gaandeweg andere eigenschappen verloren hebben."
Terug naar de plek van herkomst
Om inzicht te krijgen in de invloed van landbouw op het microbioom in de bodem, besloot Ramirez Villacis terug te keren naar de plek van herkomst van de aardappelplanten: de hooglanden van zijn thuisland Ecuador. "Ik ging op zoek naar plekken waar een natuurlijk gebied direct grensde aan een landbouwgebied. Langs een 700 kilometer lang transect vonden we veertien geschikte locaties. Op iedere locatie verzamelden we aarde uit zowel het natuurlijke als het landbouwgebied. In totaal eindigden we met zo'n twee ton aarde."
Experimenten in de kas
Vervolgens groeide hij aardappelplanten in potten gevuld met ofwel grond uit de natuurlijke gebieden, ofwel met grond uit de landbouwgebieden, allemaal onder dezelfde omstandigheden in dezelfde kas. Om te testen of de verschillende bodems leidde tot verschillen in resistentie tegen ziekteverwekkers, infecteerde hij de planten met aardappelziekte (Phytophthora infestans). "We zagen dat de planten die in de natuurlijke grond groeiden minder symptomen vertoonden, zoals vlekken, dan die in de landbouwgrond."
Toen de onderzoekers de grond uit de natuurlijke gebieden verhitten om het aantal micro-organismen te verminderen, verdween het beschermende effect van de natuurlijke grond. Ook zorgde het inmengen van een deel natuurlijke grond bij landbouwgrond ervoor dat planten beter bestand waren tegen de ziekteverwekker. Samen ondersteunen deze bevindingen het idee dat het gunstige effect van de natuurlijke grond te danken is aan de micro-organismen die erin leven.
DNA-analyse
Om verschillen in de samenstelling van het microbioom tussen landbouwgrond en natuurlijke grond in beeld te krijgen, analyseerde Ramirez Villacis het microbiële DNA uit de verschillende locaties. "Op deze veertien heel diverse locaties vonden we ongeveer 150 micro-organismen die aanwezig waren in de bodems van de natuurlijke gebieden, maar consistent minder voorkwamen in de bodems van de landbouwgebieden. Van die 150 identificeerden we er vijftig die waarschijnlijk een beschermend effect hebben tegen ziekteverwekkers. En van die vijftig identificeerden we er veertien die in het lab kunnen worden gekweekt."
Ramirez Villacis toonde vervolgens aan dat het toevoegen van deze veertien micro-organismen aan landbouwgrond ook de weerstand van aardappelplanten tegen infectie met aardappelziekte verhoogt. „We zagen dat het toevoegen van alleen deze subgroep van verdwenen micro-organismen leidt tot een toename van de weerstand met ongeveer zeventig procent van het effect dat je in natuurlijke bodems ziet", aldus Ramirez Villacis.
Ontbrekende functies
Dus zou je door deze micro-organismen simpelweg aan landbouwgrond toe te voegen de weerstand van aardappelplanten tegen ziekten kunnen vergroten? "We zouden graag veldproeven doen om dit te testen," zegt Ramirez Villacis. "Maar het wordt ingewikkeld als het om een toepassing in de praktijk gaat: het is erg moeilijk om een landbouwproduct te registreren met meer dan twee micro-organismen. Dat komt doordat regelgevende instanties gedetailleerde informatie vereisen over de interacties tussen de verschillende micro-organismen. En met veertien micro-organismen heb je heel veel interacties."
Maar Ramirez Villaces en zijn collega's hebben een plan. "Door het complete DNA van deze micro-organismen in kaart te brengen, wat ons laat zien welke genen ze hebben, willen we inzicht krijgen in wat deze micro-organismen precies doen in de bodem. Hopelijk helpt dit ons om het aantal micro-organismen terug te brengen tot slechts twee of drie, die samen hetzelfde doen als deze verzameling micro-organismen."
Planten weer de controle
Inzicht in de ontbrekende functies van deze micro-organismen biedt ook nieuwe mogelijkheden om de weerstand van planten te versterken. „We zouden de bodem kunnen verrijken met prebiotica, stoffen die de groei van nuttige micro-organismen in de bodem bevorderen", legt Ramirez Villacis uit.
"Bovendien is het belangrijk dat we begrijpen hoe de planten zelf te werk gaan om deze functies aan te trekken en te activeren. Gedomesticeerde gewassen geven maar heel weinig stoffen af aan de bodem, waardoor ze minder goed in staat zijn om een gezond microbioom aan te trekken en in stand te houden. Als we weten welke stoffen de gedomesticeerde planten niet meer afgeven, kunnen we proberen die weer terug te kweken in de planten. Hierdoor krijgen ze weer controle over hun eigen omgeving."
Bron: Universiteit Utrecht
