Er zitten briljante chemici in deze plantenwortels

Eiwitten, bepaalde hormonen en zelfs ons DNA bevatten het element stikstof. Elk levend wezen heeft stikstof nodig om te kunnen groeien. Ook bij planten is stikstof van cruciaal belang: als ze te weinig stikstof opnemen, gaan ze minder goed groeien en is hun opbrengst lager. Daarom voeden boeren hun planten met stikstof in de vorm van kunstmest. Maar sommige planten hebben geen kunstmest nodig dankzij bijzondere microben in hun wortels.

Hoewel lucht voor 78 procent uit stikstof bestaat, is deze stikstof in de vorm van het zeer stabiele en biologisch onbruikbare di-stikstof (N₂). Vroeg in de 20ste eeuw ontwikkelden Fritz Haber en Carl Bosch een proces om distikstof uit de lucht ‘te fixeren’; dat wil zeggen het omzetten van distikstof in ammoniak (NH₃). Dit ammoniak is wel biologisch bruikbaar en wordt gebruikt in kunstmest. Het Haber-Boschprocedé was een revolutionaire ontdekking waarvoor beide heren de Nobelprijs ontvingen. Want dankzij kunstmest gemaakt via dit proces is de productiviteit van de landbouw in de meeste regio’s van de wereld geëxplodeerd: wetenschappers schatten dat tegenwoordig ongeveer vijftig procent van de wereldbevolking gevoed wordt dankzij kunstmest. Maar kunstmest is niet onschuldig. Na een fikse regenbui wordt de kunstmest uit de akker gespoeld en komen er grote hoeveelheden stikstof in onze waterlopen terecht. Die overdaad aan stikstof in het water leidt tot algenbloei. Wanneer deze algen uiteindelijk afsterven, kan het zuurstofpeil in het water tot kritische niveaus dalen waardoor vissen en andere waterdieren sterven. Daarnaast vereist het Haber-Boschproces enorm veel energie: jaarlijks gaat er ongeveer twee procent van het wereldwijde energiegebruik naar de productie van kunstmest, dat zo bijdraagt aan de klimaatopwarming.

Symbiose

Dit maakt het extra bijzonder dat dezelfde reactie al miljarden jaren in de natuur plaatsvindt. Bepaalde microben kunnen namelijk zelf stikstof fixeren. De meest opvallende van deze microben zijn ongetwijfeld de Rhizobia. Deze bacteriën komen vrij voor in de bodem, maar kunnen zich ook vestigen in wortelknolletjes van planten van de Vlinderbloemenfamilie (leden van deze familie zijn o.a. de bonen, erwtjes, klaver, …).

Het is in die wortelknolletjes dat Rhizobia stikstof fixeren. Het grootste deel van die gefixeerde stikstof geven ze aan de plant, die de bacteriën in ruil voorziet van voedsel (in de vorm van koolhydraten of suikers) en bescherming (de wortelknolletjes zijn onderdak voor de bacteriën). Een win-winsituatie! Bij deze manier van samenwerken – ook wel symbiose genoemd – stellen beide partners zich enorm kwetsbaar op. De plant laat een vreemd wezen toe binnenin zijn wortels – zelfs ín zijn cellen. De bacterie moet de plant dan weer vertrouwen dat hij hem niet zomaar zal verorberen. Daarom wisselen ze tal van signalen uit om een geschikte partner te kiezen. De plant houdt een ‘paspoortcontrole’ ter hoogte van de wortelhaartjes: enkel bacteriën die de juiste moleculen kunnen voorleggen, worden in de plantenwortel toegelaten en kunnen zich vervolgens in de wortelknolletjes vestigen. Maar in de biologie is er nooit enkel rozengeur en maneschijn. Beide partijen wantrouwen hun huwelijkspartner. Zo geloven wetenschappers dat Rhizobia bepaalde moleculen uitscheiden die beletten dat het immuunsysteem van de plant zich tegen de Rhizobia keert. De plant produceert dan weer stofjes die de vermenigvuldiging van de Rhizobia aan banden leggen.

Wetenschappers doen al meer dan een eeuw onderzoek om deze samenwerking beter te begrijpen. De Vlinderbloemenfamilie bevat namelijk belangrijke landbouwgewassen. Daarnaast koesteren wetenschappers de ambitie om de samenwerking uit te breiden naar gewassen buiten deze familie, bijvoorbeeld mais. Zo wil men de landbouw minder afhankelijk maken van kunstmest om de impact op milieu en klimaat te verminderen.