Lang leve de wortelknol

De plantenfamilie van de vlinderbloemigen kan met hulp van bacteriën stikstof vastleggen uit de lucht. Biologen begrijpen sinds kort precies de genetica ervan. Tijd om het kunstje naar andere planten te verplaatsen, zegt onderzoeker Ton Bisseling.

DE EVOLUTIE WORDT wel voorgesteld als `de strijd tussen de soorten'. Maar vaak is er ook juist sprake van samenwerking tussen soorten. Het is dan wel meestal een `gewapende' samenwerking; er moeten garanties zijn dat niet één partij gaat profiteren ten koste van de ander.

Zo'n vorm van samenwerking bestaat tussen de plantenfamilie van de vlinderbloemigen, waartoe onder meer klaver en erwt behoren, en bacteriesoorten van het geslacht Rhizobium. Rhizobiumbacteriën, die overal in de bodem voorkomen, kunnen stikstofgas (N2) uit de lucht `vastleggen', dat wil zeggen omzetten in ammonium (NH4+). Dat is een kunstje dat planten niet beheersen. Ze hebben echter wel stikstof nodig voor hun groei. Vlinderbloemigen hebben in de loop van de evolutie een systeem ontwikkeld waardoor zij direct van de stikstofvastlegging door de bacterie kunnen profiteren. Ze maken wortelknolletjes: kleine orgaantjes aan de wortels, waarin de bacterie onderdak vindt. De plant ontvangt ammonium van de bacterie en die krijgt in ruil voedingsstoffen (suikers) van de plant.

Hoogleraar Moleculaire Biologie Ton Bisseling van de Wageningen Universiteit kan zich met recht een expert noemen op het gebied van de wortelknolsymbiose. Al dertig jaar doet hij onafgebroken onderzoek aan dit fenomeen. Sinds kort is het echt spannend geworden, want in een paar jaar tijd zijn één voor één alle genen gevonden die een rol spelen bij de vorming van wortelknolletjes.

``We gingen opeens van niks naar alles'', zegt Bisseling enthousiast. ``Het is fantastisch om daaraan bij te dragen. Er zijn zeven plantengenen voor wortelknolvorming gevonden en drie daarvan hebben wij hier in Wageningen ontdekt; twee geheel zelfstandig en een in samenwerking met een andere groep.''

De stroomversnelling in het onderzoek kwam begin jaren negentig op gang toen wetenschappers de moleculaire structuur van de zogeheten Nod-factor oplosten. De Nod-factor is het `aanklopsignaal' dat de bacterie gebruikt om de plant te bewegen een wortelknolletje aan te maken. Bisseling: ``De Nod-factor bleek te bestaan uit een chitine-molecuultje met daaraan gekoppeld een vetzuurstaart. Dat was alles. Als je de Nod-factor opzuivert of synthetiseert en je voegt dat stofje toe aan de wortels van een vlinderbloemige, dan begint deze spontaan wortelknolletjes te maken.'' Haast liefdevol legt Bisseling uit hoe elegant de symbiose daarna tot stand komt. ``In reactie op de Nod-factor krult een wortelhaar zich om een enkele bacterie heen, totdat deze geheel omsloten is. Dan maakt de plant een buisje waardoor de bacterie de wortel binnen kan komen. Dat is natuurlijk een fantastische controle. Het is alsof je eerst een band plakt om daarna onder de plakker verder te kunnen prutsen. Dan legt de plant in de wortel een knolletje aan, waar de bacterie zich kan vermeerderen, zonder verder de plant in te komen. De symbiose kan beginnen.''

Het aanklopsignaal was bekend en onder de microscoop waren de gebeurtenissen prachtig in beeld te brengen, maar wat er in de plant precies reageerde op de Nod-factor was nog een black box. Bisseling beschrijft de zoektocht: ``Vlinderbloemigen zijn uniek in deze symbiose, hoewel er in het plantenrijk enkele uitzonderingen zijn. Dat betekende dat we op zoek moesten naar nieuwe genen, die nergens anders voorkwamen, behalve in vlinderbloemigen. We zochten naar mutanten die volkomen normaal waren in alle aspecten, behalve dat ze geen wortelknolletjes konden maken. We vonden ze bij de erwt en bij soja, maar die planten hebben zulke grote genomen dat het ondoenlijk bleek de verantwoordelijke genen daaruit te isoleren.''

mutanten``Zo kwamen de modelplanten Lotus en Medicago, een luzerne-achtige, in beeld. Deze vlinderbloemigen hebben een overzichtelijke hoeveelheid DNA. Ze groeiden uit tot de Arabidopsis onder de vlinderbloemigen [Arabidopsis was het eerste plantje dat genetisch ontrafeld is, red.]. Ook van Lotus en Medicago konden we wortelknolloze mutanten selecteren, maar nu konden de betrokken genen wel geïsoleerd worden. De afgelopen twee tot drie jaar zijn alle belangrijke plantengenen gevonden die betrokken zijn bij de vorming van wortelknolletjes.''

In een serie kort op elkaar volgende Nature- en Science-publicaties werden de betrokken plantengenen beschreven. Het bleek een set van slechts zeven genen die essentieel is voor de plant om wortelknolletjes te kunnen maken. Bisseling: ``Lange tijd was het de vraag of we met deze gevonden genen slechts het topje van de ijsberg in beeld hadden, of dat dit de hele ijsberg was. De gevonden genen in Medicago bleken ook bij de erwtmutanten terug te vinden. Het ging hier om een kleine set mutanten met allemaal veranderingen in die specifieke genen. Dit was niet het topje van de ijsberg, maar de hele ijsberg.''

De volgende vraag was of het hier ging om unieke genen, die alleen bij vlinderbloemigen voorkomen. Bisseling pakte er evolutionaire stambomen bij en trof wortelknolletjes in verschillende plantengroepen aan. ``De symbiose met Rhizobium vind je niet alleen bij vlinderbloemigen, maar ook bij een iepachtige en bij de tropische boom Parasponia. Die symbioses lijken onafhankelijk van elkaar ontstaan in de evolutie, gezien hoe ver hun stambomen uit elkaar liggen. Houtachtige planten als els en duindoorn kunnen een soortgelijke stikstofsymbiose aangaan met de Gram-positieve bacterie Frankia. Symbioses met Frankia lijken minstens vier keer te zijn ontstaan in de evolutie.

``Dat betekent dat er in bepaalde planten een soort predispositie is voor het maken van wortelknolletjes. Dat blijkt bijvoorbeeld als we kijken naar de populier, de plantensoort waarvan het hele genoom bekend is en die het dichtst bij de vlinderbloemigen staat. Onderzoek van mijn collega René Geurts heeft aangetoond dat de set van de zeven wortelknolgenen daar ook voorkomt. Het zijn homologe genen. De populier kan van nature geen wortelknolletjes maken, maar de benodigde genen daarvoor zijn al wel aanwezig. Hieruit blijkt maar weer eens dat de evolutie allerlei bestaande onderdelen hergebruikt voor nieuwe functies. Sommige van de genen die nodig zijn voor symbiose met bacteriën zijn overigens verloren gegaan in het modelplantje Arabidopsis.''

De wortelknolgenen moeten in andere planten dus een alternatieve functie hebben. Van de meeste hebben wetenschappers nog geen idee wat die zou kunenn zijn. Van een drietal weet Bisseling het wel: ``Het genentrio DMI 1, 2 en 3 is essentieel voor een andere symbiose met bacteriën die evolutionair veel ouder is dan de Rhizobium-symbiose, namelijk de mycorrhiza-symbiose. De symbiose met mycorrhiza-bacteriën dateert al van het moment waarop de eerste landplanten ontstonden, 700 miljoen jaar geleden. De Rhizobium-symbiose is naar schatting pas 4 miljoen jaar oud.''

Een grote slag is nu geslagen, maar er doemen meteen nieuwe vragen op. Bisseling: ``Het beeld dat ik telkens voor mij zie, is dat van de Engelse postzegel die uitkwam ter gelegenheid van de ontrafeling van het menselijk genoom. Op de zegel waren mensen te zien die de laatste hand legden aan een puzzel. Maar die puzzel zelf vormde weer een nieuw puzzelstuk. Zo gaat het in ons onderzoek ook. Je zoekt iets uit en bereikt wat je wilt weten, maar tegelijkertijd roept dat weer veel nieuwe vragen op.''

Nu alle genen betrokken bij de wortelknolvorming bekend zijn, denkt Bisseling dat de tijd rijp is om de stikstofsymbiose via genetische manipulatie over te zetten naar andere gewassen die niet zelfstandig stikstof kunnen vastleggen. Het is een oude droom van Bisseling: ``Toen ik begin jaren tachtig mijn promotie had afgerond leefde heel erg de droomverwachting van de moderne biotechnologie. De Amerikaanse firma Agrigenetics was op zoek naar methoden om biologisch stikstof te binden en steunde mijn onderzoek financieel. Ik kreeg een enorme vrijheid om dingen te doen. Het was risicovol onderzoek, je kon van tevoren voorspellen dat het niet zou lukken de werking van de wortelknolletjes in een paar jaar op te helderen.''

Dankzij de grote ontwikkelingen in het genetische onderzoek is dat nu wel helemaal gelukt, iets waarvan Bisseling nog altijd onder de indruk is. Hij popelt om nu met genetische wortelknoltransformaties aan de slag te gaan. ``De eerste experimenten zullen wel hier in Wageningen plaatsvinden. Of bij een groot biotechnologiebedrijf als Monsanto, want die doen dat veel efficiënter dan wij. Natuurlijk moet zo'n experiment gecontroleerd plaatsvinden, de transgene planten kunnen niet zo de natuur in, maar soms is dat ook niet nodig. Ik ben voorstander van een systematische aanpak. Het lijkt mij een uniek experiment, de wortelknolletjes-genen overbrengen naar het modelplantje Arabidopsis en afwachten of het knolletjes gaat maken.''

Een toepassing voor het overplaatsen naar niet-vlinderbloemigen ziet Bisseling op termijn niet zozeer in voedingsgewassen – er zijn al veel vlinderbloemige voedingsgewassen, zoals bijvoorbeeld bonen, erwten en soja – maar vooral in de houtproductie. Bisseling: ``De vraag naar hout stijgt wereldwijd met zo'n 4 tot 5 procent per jaar. Als we hout willen blijven gebruiken, zullen we het op grote schaal moeten gaan kweken. Transplantatie van wortelnolletjes kan daarbij helpen. Het genoom van de populier is al opgehelderd, dus dat zou een eerste aangewezen kandidaat zijn. Uit onze kennis van de populiergenen weten we dat deze boom wel alle belangrijke factoren voor knolvorming aan boord heeft, maar misschien komen ze wel op een verkeerde plek tot uiting.

``Bijna zeker ontbreekt een receptor voor een Nod-factor. Meestal zijn dat clusters van genen, waarvan er meestal één of twee de selectiviteit van de herkenning bepalen. Medicago heeft bijvoorbeeld meer dan 25 van die genen in zo'n cluster. Nod-factoren hebben een snelle evolutie gekend, waarbij er een specifieke relatie tussen bacterie en plant ontstaat. Niet iedere plant accepteert zomaar alle soorten Rhizobium in zijn knolletjes. De relatie is vaak een op een. Dus als je ergens wortelknolletjes wilt maken zul je dit soort genen altijd moeten overzetten.

stikstof``Bovendien maken vlinderbloemigen normaal gesproken alleen wortelknollen als ze op andere manieren niet voldoende stikstof krijgen. Dat is iets om rekening mee te houden bij de plaatsing van wortelknolgenen in nieuwe planten. Het maken van knolletjes kost namelijk wel iets voor de plant. Planten die teveel knollen produceren, groeien slechter.''

De betekenis van deze oplossing is in het licht van de wereldproblematiek beperkt, realiseert Bisseling zich. ``Het is slechts een onderdeeltje om te bereiken dat we over 40 jaar aan de behoefte van de wereldbevolking kunnen voldoen. Maar het spreekt natuurlijk enorm tot de verbeelding dat je planten kunt kweken die van de lucht leven. De belangstelling voor dit soort onderzoek valt vaak samen met oliecrises. Het alternatief is namelijk kunstmest gebruiken en dat kost erg veel energie om te produceren. Wortelknoltransformatie kan een belangrijke bijdrage leveren aan de duurzame productie, maar er is een trigger voor nodig.''

De kennis van de wortelknollengenetica kan overigens ook gebruikt worden om de bestaande symbioses van vlinderbloemigen te optimaliseren. In de landbouw wil men graag een goede Rhizobium die efficiënt stikstof omzet in ammonia, maar ook een bacterie die het goed blijft doen in de knolletjes. ``Met de huidige kennis zou zoiets bijvoorbeeld voor soja in een paar jaar haalbaar kunnen zijn. Je kunt dan uitgaan van de plant en de optimale bacterie erbij zoeken. Tien procent opbrengstverbetering is al veel. Alleen zal het zelfs met een optimale symbiose nooit beter worden dan met kunstmest. Met onze huidige chemicaliën-intensieve landbouw en mestoverschotten is deze manier van productieverhogen dus niet aan de orde.

``Maar dat wordt anders als we voor de veroorzaakte oppervlaktewatervervuiling zouden moeten gaan betalen. Er gaat nu heel veel geld naar de waterzuivering, maar dat wordt niet verrekend met de landbouwproducten die de vervuiling veroorzaken. Ik ben wel een voorstander van zo'n vervuilingsbelasting, verwerkt in de voedselprijs. Het moet dan niet in een keer worden ingevoerd, maar uitgesmeerd over tientallen jaren.''