Home

Evolutie van de samenwerking tussen vlinderbloemigen en rhizobiumbacteriŽn

De sperziebonen op je bord, de pinda's tussen je borrelnootjes en de kikkererwten in de falafel behoren allemaal tot dezelfde plantenfamilie: de vlinderbloemigen. Het bijzondere van vlinderbloemigen is dat ze kunnen samenwerken met rhizobium bacteriŽn. Dat is voor de vlinderbloemigen van groot voordeel, want de rhizobium bacteriŽn kunnen stikstof uit de lucht binden en geven dat aan de plant. Planten hebben stikstof nodig (om eiwitten te kunnen maken) maar kunnen zelf alleen stikstof uit de grond halen. Door hun samenwerking met rhizobium bacteriŽn hebben vlinderbloemigen dus een extra stikstofbron waar andere planten niet uit kunnen putten. De samenwerking met rhizobium bacteriŽn is zon 60 miljoen jaar geleden ontstaan. Wat is er toen gebeurd waardoor de vlinderbloemigen nu in staat zijn met rhizobium samen te werken? Dat is een boeiende en ook voor de toekomst belangrijke vraag, omdat inzicht in deze relatie tussen plant en bacterie misschien kan helpen bij het ontwikkelen van alternatieven voor kunstmest.

Dr. Renť Geurts

Bij het laboratorium voor Moleculaire Biologie aan de Wageningen Universiteit, onderzoekt Renť Geurts de symbiose tussen vlinderbloemige planten en rhizobium bacteriŽn. Geurts wil graag weten hoe die samenwerking is ontstaan, en of het ooit mogelijk zal zijn om ook andere plantensoorten met rhizobium te laten samenwerken.

Wortelknolletjes aan wortels van wikke (Vicia sepium). Foto: Frank Vincentz.

Een vruchtbare samenwerking...met bacteriŽn uit de Rhizobium familie
Een samenwerking tussen rhizobium bacteriŽn en planten, die ervoor zorgt dat planten goed kunnen groeien en eiwitrijk worden. Dat is mooi, maar niet alle planten kunnen zon samenwerking aangaan. Sterker nog, deze bacteriŽn werken eigenlijk alleen maar samen met planten van de vlinderbloemigenfamilie. Planten van die familie, zoals kikkererwten en linzen, werden al gecultiveerd vanaf het begin van de landbouw, zon 8.000 tot 10.000 jaar geleden. De reden hiervoor is dat ze zo eiwitrijk zijn. Daarom vormen ze een belangrijke eiwitbron voor mens en dier. Ook werden ze in het verleden veel gebruikt als groenbemesting. Dat wil zeggen dat ze werden ondergeploegd om de grond stikstofrijk te maken. Dat is pas de laatste vijftig jaar minder geworden door de opkomst van kunstmest.

Hoe de bacterie in de plant komt
De samenwerking tussen de vlinderbloemige en de rhizobium bacterie begint ermee dat rhizobium de plantenwortel binnenkomt. Dat doet hij op een spectaculaire manier. Een wortel heeft haartjes, de zogenaamde wortelharen. De bacterie gaat op zon haar zitten en zendt een signaalstof uit die de groeirichting van de wortelhaar verandert. De haar groeit dan in een krul helemaal om de bacterie heen, zodat de bacterie in een afgesloten kamertje terecht komt. Nu wordt de celwand van de wortelhaar afgebroken. Het celmembraan beweegt naar binnen en vormt een soort draadachtige structuur, een infectiedraad. Daar zitten de bacteriŽn in. Op een gegeven moment stopt de infectiedraad met groeien en de bacteriŽn worden van de draad afgesnoerd. Ze komen dan in een knolletje terecht, in een centraal gebied met allemaal plantencellen die helemaal gevuld zijn met bacteriŽn. De bacteriŽn, die door de plant worden gevoed, binden stikstof uit de lucht en geven dat af aan de plant. Omdat zowel plant als bacterie voordeel heeft, is deze samenwerking een symbiose.

Zo komt de rhizobium bacterie in de wortel van de plant terecht.

Op zoek naar unieke genen
Wat maakt vlinderbloemigen nou zo bijzonder dat zij met rhizobium kunnen samenwerken en andere planten niet? Met deze vraag houdt onderzoeker dr. Renť Geurts zich bezig. In eerste instantie dacht Geurts: Als je wilt begrijpen waarom die vlinderbloemige planten symbiose aangaan, dan zou je op zoek moeten gaan naar de genen die uniek zijn voor vlinderbloemigen en die nodig zijn voor de symbiose. Geurts heeft inderdaad een aantal genen gevonden die nodig zijn voor de symbiose. Als je die genen uitschakelt, zie je eigenlijk niks vreemds aan de vlinderbloemige planten. Alleen de rhizobium symbiose lukt niet meer. De plant reageert niet meer op de signaalstof van de bacterie. Dan zou je dus denken dat die genen uniek zijnvoor het proces van symbiose. Maar wat blijkt: andere planten, die relatief verwant zijn aan vlinderbloemige planten, zoals populier en wijndruif, hebben die genen ook

Wat is de functie van die genen? Waarom hebben wijndruif en populier die genen nodig?
Voor een deel is die vraag al beantwoord. Als je een aantal van die genen uitschakelt, blijk je niet alleen de rhizobium symbiose te verstoren, maar ook de symbiose met een grondschimmel. Die grondschimmel is in staat om zogenaamde 'mycorrhizae' te vormen. Mycorrhiza betekent letterlijk schimmelwortel. De schimmel vormt draden bij de wortels van de plant, die helpen bij het opnemen van voedingsstoffen waar de plant moeilijk toegang toe heeft, zoals fosfaat.

Mycorrhizae symbiose zit in bijna alle planten en is mogelijk belangrijk geweest bij de stap van waterplanten naar landplanten. Dat is honderden miljoenen jaren geleden. De rhizobium symbiose is lang niet zo oud, misschien 60 miljoen jaar.

Een schimmelig signaal
Planten konden al symbiose aangaan met grondschimmel, voordat ze symbiose met rhizobium konden aangaan. Ze hadden dus ook de genen die nodig zijn voor mycorrhizae symbiose. Misschien zijn die genen voor mycorrhizae symbiose in vlinderbloemigen op zon manier veranderd, dat ze rhizobium symbiose mogelijk hebben gemaakt. Bijvoorbeeld door veranderingen in het herkenningsmechanisme.

Vlinderbloemige planten hebben een receptor die de signaalstof van rhizobium kan herkennen.
Het signaalmolecuul van rhizobium is een chitine met een vetzuur. Chitine vind je in insecten, maar ook in schimmels. BacteriŽn maken over het algemeen geen chitine. Op ťťn of andere manier kan rhizobium het dus wel. Hij maakt een heel kort stukje chitine en dat is zijn signaalmolecuul. Dat scheidt hij uit en dat herkent de plant. Voor de plant lijkt rhizobium dus eigenlijk een beetje op een schimmel...

Een lastige schimmel
Misschien is de receptor die de signaalstof van rhizobium herkent, ontstaan na duplicatie (verdubbeling) van een receptor die de schimmel herkent. Eťn kopie van dat gen zou dan zijn blijven functioneren om de samenwerking met de schimmel in stand te houden terwijl de extra kopie kon muteren en heel specifiek is geworden voor herkenning van de signaalstof van rhizobium.

Het gen dat codeert voor de receptor blijkt inderdaad te zijn gedupliceerd. Maar, als de theorie klopt, dan moet er dus ook een receptor zijn die de schimmel herkent. Helaas is dat lastig te onderzoeken. De grondschimmel overleeft eigenlijk alleen maar in samenwerking met een plant. Je kunt de grondschimmel dus niet zo makkelijk cultiveren om te kijken of hij ook een signaalmolecuul maakt wat lijkt op dat van rhizobium. Dat werkt niet. De schimmel moet samenwerken met de plant anders gaat hij dood.

Een andere plantensoort biedt een blik in het verleden
Er is een tropische boom gevonden in Papoea-Nieuw-Guinea. Het is geen vlinderbloemige. Het genus (dat is een groep van zeer verwante plantensoorten) heet Parasponia en behoort tot de rozenorde (rosales). En deze parasponia kunnen ook een symbiose met stikstofbindende rhizobia aangaan. Dat is waarschijnlijk zon 10 miljoen jaar geleden ontstaan. Veel later dan bij de vlinderbloemigen dus.

Parasponia hebben wel knolletjes, maar die zien er anders uit. De knolletjes in vlinderbloemigen zijn trouwens ook niet allemaal hetzelfde. In sommige ('basale') vlinderbloemigen zijn de knolletjes wat primitiever. In die primitievere knolletjes blijft de bacterie in de infectiedraad zitten, maar hij bindt wel stikstof. Bij de parasponia blijven de bacteriŽn ook in de draad zitten, dus het is een wat primitievere vorm.

Het knolletje zelf ziet er bij vlinderbloemigen uit als iets unieks, het lijkt niet op andere delen van de plant. Bij parasponia echter, lijkt het knolletje op een zijwortel. Waarschijnlijk is het in vlinderbloemigen ook een zijwortel geweest, maar omdat die al 50 miljoen jaar langer evolueert is dat veranderd en zie je dat niet meer zo duidelijk.

Het feit dat het dus twee keer in de evolutie gebeurd is betekent dat er waarschijnlijk niet zo heel veel hoeft te veranderen voordat een plant symbiose met rhizobium kan aangaan, vertelt Geurts. Het is niet een opeenvolging van hele complexe veranderingen en dan Tadaa! Eureka, een vlinderbloemige kan die symbiose aangaan.

Zouden rhizobia organellen kunnen worden?
Volgens de algemeen geaccepteerde endosymbiosetheorie zijn mitochondriŽn en chloroplasten ontstaan doordat bacteriŽn zijn opgenomen in de cel. Zou dat een zelfde soort proces zijn geweest als wat nu met rhizobium in de vlinderbloemigen gebeurt en zouden rhizobium bacteriŽn organellen kunnen worden?

Dat zou best zo kunnen zijn. Kijk je naar chloroplasten en mitochondriŽn, dan zie je dat ze een dubbelmembraan hebben. Zon dubbele laag van membranen zie je ook bij rhizobium bacteriŽn die zijn afgesnoerd van de infectiedraad waarmee ze de plantenwortel zijn binnengekomen. Ze hebben hun eigen membraan met daaromheen het membraan van de infectiedraad. We noemen dat eigenlijk geen dubbelmembraan en er kan ook ruimte zijn tussen die twee membranen, maar in principe is het wel het begin van organel vorming.

Om organel te worden, zou rhizobium in de kiembaan moeten komen. Dat wil zeggen dat hij in de geslachtscellen moet komen zodat hij kan worden doorgegeven naar een volgende generatie planten. Maar dan zou hij wel overal zitten. In alle cellen van de plant en niet alleen in de wortels. Het zal wel evolutionair nadelig zijn om die rhizobium overal te hebben.

Toch is dat wel zo bij chloroplasten, de organellen die de fotosynthese doen. Die zitten overal. In de bladeren natuurlijk, maar ook in de wortel. Zolang daar geen zonlicht is worden ze beperkt en klein gehouden (plastiden heten ze dan). Zoiets zou je natuurlijk ook voor rhizobium kunnen bedenken.

Als je een proef zou willen doen om van rhizobium een organel te maken, dan zou je dus een cel die geÔnfecteerd is door rhizobium aan het delen moeten krijgen. En vanuit die delende cellen zou een hele plant moeten ontstaan. Maar ja, dan zijn we wel lekker aan het knutselen natuurlijk lacht Geurts. Misschien ga ik het ooit nog eens proberen.

Electronenmicroscopische opnamen: mitochondrium in longcel (links) en rhizobiumbacteriŽn in wortelknolletje van sojaboon (rechts).

Een visioen
De kennis die door dit onderzoek wordt verkregen is misschien niet vandaag toepasbaar, maar zal in de toekomst wel van belang zijn. Fossiele brandstoffen worden kostbaarder en kunstmest dus ook. Dan kun je heel ouderwets aan groenbemesting doen en erwtjes of alfalfa of klaver gaan planten en omploegen.

Maar misschien wordt het ook wel mogelijk om de stikstofbinding in een bioreactor te laten plaatsvinden, of om het naar een andere plantensoort om te zetten. Dat je die rhizobium zo ver kunt krijgen dat hij ook met andere planten kan samenwerken. Met tarwe, rijst, populier, biobrandstoffen...

Er zijn nog geen echte harde aanwijzingen dat dat soort dingen in de toekomst daadwerkelijk gaan lukken. Voor Geurts is het wel zijn drijfveer: het feit dat ik hier aan werk is dat er zon perspectief ligt. Niet morgen, niet over vijf jaar, maar misschien wel over twintig jaar. Daarom vind ik het interessant om te doen. Om die kennis daarvoor te gebruiken.

Auteur: Elisa Carolus, Wageningen Universiteit