Klaver leeft samen met bacteriën door oude mutatie

Zo’n 58 miljoen jaar geleden verdubbelde het hele genoom van de gemeenschappelijke voorouder van de vlinderbloemigen, een plantenfamilie waartoe onder meer bonen en klaver behoren. Dankzij die toevallige verdubbeling kon deze plantenfamilie een eigenschap ontwikkelen die uniek is in het plantenrijk: een symbiose met stikstofbindende bacteriën. Een internationaal team van 120 onderzoekers, onder wie Wageningse moleculair biologen, schreef hier woensdag over in Nature (online). De onderzoekers trokken hun conclusies nadat ze het gehele genoom hadden ontrafeld van Medicago truncatula, een mediterrane klaversoort die nauw verwant is aan hopklaver en luzerne.

Vlinderbloemigen zijn de enige planten die voor hun groei niet afhankelijk zijn van stikstof in de bodem. Ze komen aan hun stikstof doordat ze intiem samenleven met bacteriën die stikstof uit de lucht halen. Die stikstofbindende bacteriën wonen in wortelknolletjes die de planten speciaal daarvoor maken. De plant profiteert van de stikstof die de bacteriën vrijmaken en de bacteriën leven op hun beurt van de suikers die de plant maakt. Dankzij deze symbiose kunnen vlinderbloemigen groeien op stikstofarme grond. Boeren zaaien hun land zelfs nu en dan met klaversoorten in om zo de bodem met stikstof te ‘bemesten’.

Tot nu toe was niet duidelijk hoe en wanneer deze symbiose in de loop van de evolutie is ontstaan. Het grote onderzoeksteam, dat onder leiding stond van Amerikaanse en Franse onderzoekers, ontdekte dat een genoomverdubbeling 58 miljoen jaar geleden het verschil heeft gemaakt. Dergelijke verdubbelingen zijn in de evolutie bij verschillende plantengroepen opgetreden. Zo’n verdubbeling, leggen de onderzoekers uit, zorgt ervoor dat bepaalde genen overbodig worden. Die kunnen vervolgens, na een kleine modificatie, een heel nieuwe rol op zich nemen. Dat is wat er waarschijnlijk is gebeurd bij de vlinderbloemigen. Genen die een rol speelden bij symbiose met schimmels, veranderden zodanig dat ze de symbiose met bacteriën mogelijk maakten.

Vrijwel alle planten leven nauw samen met schimmels. Dankzij een samenspel van schimmeldraden en plantenwortels (ook wel mycorrhiza genoemd) kunnen de planten efficiënter water en voedingsstoffen opnemen. Om de schimmels aan te trekken en ermee te ‘communiceren’, gebruiken de planten bepaalde eiwitten.

Het Nature-team ontdekte dat de vlinderbloemigen met hun stikstofbindende bacteriën communiceren via eiwitten die erg op die schimmeleiwitten lijken. De genen die ervoor coderen, zijn directe afgeleiden van de genen die voor de afstemming met schimmels zorgen. Ze konden als variatie ontstaan dankzij de genoomverdubbeling. Het hele moleculaire mechanisme van schimmelsymbiose blijkt erg te lijken op dat van de symbiose met de stikstofbindende bacteriën.

De onderzoekers suggereren dat deze kennis kan helpen om andere stikstofbindende vlinderbloemigen, zoals alfalfa, productiever te maken.

Nienke Beintema