De sleutel tot het einde van onze afhankelijkheid van kunstmest

Een oud agronomisch kenmerk als sleutel zijn tot de toekomst van de landbouw

Dick Schrauwen [1]

Door Jenna Gallegos

De oude geschiedenis van moderne gewassen onthult een verrassend verhaal over hun evolutionaire relatie met schimmels en bacteriën. Het ontrafelen van dat verhaal kan de sleutel zijn tot het einde van onze afhankelijkheid van kunstmest.

De introductie van stikstofhoudende kunstmest in het begin van de 20e eeuw zorgde voor een revolutie in de landbouw waardoor de opbrengsten van graan zoals maïs met ongeveer 200 procent toenamen zodat de toenemende wereldbevolking -- tot ongeveer 7,7 miljard mensen -- gevoed kon worden.

Maar kunstmest brengt een aanzienlijke milieubelasting en grote economische kosten met zich mee. Veel van de stikstof die op boerderijen wordt toegepast, komt nooit in gewassen terecht, maar spoelt weg in de grond. Een gedeelte van deze onopgenomen stikstof komt terecht in het oppervlaktewater waardoor dode zones (dead zones) ontstaan.

En hoge transportkosten [5] maken kunstmest - vooral in veel Afrikaanse landen – onbetaalbaar. Dit heeft ertoe geleid dat boeren in afgelegen regio's van armere landen niet van dezelfde opbrengstgroei (door kunstmest) konden profiteren als de landbouw in de ontwikkelde wereld.

Om dit te repareren, financiert de Bill & Melinda Gates Foundation een samenwerkingsproject: Engineering Nitrogen Symbiosis for Africa (ENSA). De visie achter dit project is eenvoudig: meer voedsel voor kleine boeren zonder kunstmest.

Waarom hebben planten eigenlijk kunstmest nodig? Planten kunnen het grootste deel van de stikstof in de bodem niet opnemen. Dat ligt aan de vorm van de bodemstikstof. Maar de evolutie van sommige planten hebben dit probleem opgelost. Peulvruchten, zoals erwten, bonen en alfalfa, vormen knobbeltjes in hun wortels die bacteriën huisvesten. Deze bacteriën zetten de stikstof in de bodem om in een verteerbare vorm voor de plant in ruil voor andere voedingsstoffen. Deze symbiotische relatie heet stikstoffixatie. ENSA hoopt stikstoffixatie te kunnen inbrengen in allerlei andere soorten planten maar vooral in graansoorten.

Het ENSA-team besloot een ??diepe duik te nemen in de genetica van planten die wel en geen knobbeltjes vormen om meer te leren over de evolutie van stikstoffixatie. Ze ontdekten dat stikstofsymbiose is ontstaan ??uit een nog oudere vorm samenwerking. Ongeveer 450 miljoen jaar geleden nog voordat planten land koloniseerden, begonnen ze voedingsstoffen te delen met schimmels. Planten gingen die samenwerking, genaamd mycorrhiza-symbiose, aan om de fosfor uit hun omgeving binnen te krijgen.

Door te kijken naar plantengenen stelde het ENSA-team vast dat stikstofsymbiose zich al 100 miljoen jaar geleden ontwikkelde uit mycorrhiza-symbiose. Maar veel van de planten die geen knobbeltjes en dus geen stikstofsymbiose hebben symbiotische relaties met schimmels. Dus waarom misten die planten deze planten de evolutionaire boot naar stikstofsymbiose?

Het ENSA-team suggereert dat dit niet het geval was. Sommige meer moderne houtachtige landbouwgewassen zoals appels en walnoten zijn eigenlijk weggeëvolueerd van stikstoffixatie. Aanvankelijk hadden ze dit vermogen maar raakten het kwijt in de loop van hun evolutie. Om hun relatie met hun stikstofbindende bacteriële partners af te breken, hoefden de planten prelandbouwtijdperk eigenlijk maar drie genen te verliezen.

Het is niet duidelijk waarom een ??plant een zo'n wederzijds voordelige relatie zou willen opgeven. Mogelijk is er onvoldoende evolutionaire druk geweest om stikstoffixatie te behouden. In veel natuurlijke omgevingen zijn water, fosfor en andere voedingsstoffen schaarser dan stikstof. En eigenlijk wil een plant maar een ding: net voldoende groeien om zaad te kunnen verspreiden.

Maar op boerderijen worden water en voedingsstoffen bewust gemanaged zodat planten hun volle potentieel kunnen bereiken. En gewassen worden veredelt voor een bodem vol met meststoffen. Dat betekent dat de meeste planten hun knolvorming verloren om hun energie te investeren in andere zaken zoals het produceren van grote sappige vruchten of hoog genoeg worden om aan schaduw te ontsnappen.

Het ontdekken van de knolvormende vermogens die aanwezig waren in de oude voorouders van de meeste gewassen verandert de manier van denken over stikstofbinding en de betrokken genen. Herintroductie van de belangrijkste knolvormende genen die verloren zijn gegaan in de evolutionaire geschiedenis kan een sterke eerste stap zijn op de weg van stikstofbinding in granen en andere gewassen.

De ontdekking betekent ook dat wellicht veel van de andere genen die nodig zijn voor stikstoffixatie al in de granen aanwezig zijn. Met moderne benaderingen zoals genetische manipulatie en synthetische biologie is het opnieuw ontwaken van deze oude genen een reële mogelijkheid.

ENSA is niet de enige groep die aan deze uitdagingen werkt. Onderzoekers over de hele wereld richten op stikstoffixatie in granen. Het onderzoek varieert van het speuren naar wilde soorten die meer van de genetische paden intact hebben tot het manipuleren van bodembacteriën om betere bondgenoten te worden in stikstofixatie.

Stikstofhoudende kunstmest bracht een revolutie in de landbouw te weeg. Het is nu de tijd om nieuwe manieren te vinden om onze afhankelijkheid van kunstmest te doorbreken en een nog grotere opbrengstgroei te realiseren. De genetische archeologie van projecten zoals ENSA brengt ons dichter bij het antwoord op de vraag of de vroege voorouders van onze gedomesticeerde gewassen de sleutel zijn tot die vernieuwing.

Referenties

[1] Bewerking van onderstaand persbericht
- https://allianceforscience.cornell.edu/blog/2019/05/ancient-trait-may-hold-key-agricultures-future/

[2] Literatuur
- https://www.nature.com/articles/ngeo325
- https://ourworldindata.org/how-many-people-does-synthetic-fertilizer-feed
- https://www.washingtonpost.com/news/energy-environment/wp/2017/08/04/gulf-of-mexico-dead-zone-is-larger-than-ever-heres-what-to-do-about-it/
- https://gro-intelligence.com/insights/fertilizers-in-sub-saharan-africa
- https://www.nature.com/articles/nature15743
- https://www.ensa.ac.uk/
- https://www.ensa.ac.uk/vision
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369526615000874
- https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/tpj.12723
- https://www.pnas.org/content/112/43/13390
- https://www.pnas.org/content/115/20/E4700
- https://allianceforscience.cornell.edu/blog/2018/02/bacteria-invented-genetic-engineering-we-made-it-controversial/
- https://academic.oup.com/jxb/article/65/8/1939/2885088
- https://www.ucdavis.edu/food/news/grow-food-crops-without-fertilizer/
- https://www.pivotbio.com/product

Juni 2019