Stikstof binden: een wereld aan mogelijkheden
Planten groeien in een zee van stikstof. De lucht bevat bijna 80% stikstofgas. Toch geven we aan onze gewassen copieuze hoeveelheden stikstof om in hun behoeften te voorzien omdat we vrij eng denken over stikfstoffixatie.
Stikstoffixatie door vlinderbloemigen is een schoolvoorbeeld van een symbiose tussen plant en bacterie. De oude Grieken en Romeinen waren al op de hoogte van de waarde van vlinderbloemigen in een teeltrotatie. Pas in 1886 kon wetenschappelijk bewezen worden wat zo bijzonder was aan die groep planten. Ze bleken samen te leven met bacteriën die stikstof uit de lucht konden vastleggen. In de daarop volgende eeuw dachten we dat maar enkele plantengroepen geëvolueerd waren* tot dergelijke samenwerkingen. Het blijkt echter dat zo ’n samenwerkingen veel breder voorkomen dan gedacht. Vier voorbeelden uit vier sferen (=delen van de plant) waarvan je de komende jaren meer zal gaan horen omdat ze commerciële toepassingen hebben.
*Sorry, heel wat boeken zullen toch herschreven moeten worden!
In dit artikel gebruikte afkortingen:
N= stikstof
BNF = Biological Nitrogen Fixation
Endosfeer: in de plant
In Mexico, de bakermat van maïs, bestuderen wetenschappers al enkele decennia een oud landras. De reuzenmaïs floreert op gronden die amper stikstof bevatten terwijl moderne maïsrassen die wij verbouwen juist heel wat stikstofbemesting vergen.
Na heel wat jaren onderzoek is de conclusie dat dit maïsras “Oaxaca Giant Corn” (Olotón) samenleeft met bacteriën die stikstof binden op luchtwortels. Wortels die dus letterlijk op de stengel groeien. De luchtwortels worden door de plant gecoat met suikers zodat de bacteriën voorzien worden van energie zodat ze stikstof uit de lucht kunnen binden en terug leveren aan de plant. De bacteriën zijn endofyten* en worden verticaal doorgegeven, via het zaad dus. Momenteel wordt er door veredelaars hard aan gewerkt om deze bacteriën in moderne rassen te integreren om zo de nood voor stikstofbemesting terug te dringen (bron 1). Ook bij andere gewassen zoals suikerriet, rijst, gierst zijn ondertussen stikstof fixerende bacteriën ontdekt.
*Endofyten zijn bacteriën die in plantenweefsel leven. Ze kunnen via de wortel, zaden, huidmondjes,… in de plant terecht komen en daar (samen)leven met hun gastheer.
Rhizosfeer: op en rond de wortel
Vlinderbloemigen leven samen met Rhizobium bacteriën die in wortelknolletjes gehuisvest zijn. Dat is goed bekend. Heel wat andere planten uit onze flora zoals zwarte els, duindoorn en gagel hebben een samenwerking met Frankia bacteriën die ook stikstof fixeren. De bacteriën wonen niet in knolletjes maar bouwen een soort verlengstuk aan de wortel, actinorhizaal zoals dat heet.
Frankia en Rhizobium bacteriën hebben een vrij enge samenwerking. Een complexe relatie tussen gastheer en bacterie. Of dat dachten we toch. Nu er steeds meer onderzoek naar BNF gevoerd wordt is waargenomen dat Rhizobium bacteriën ook met niet vlinderbloemigen kunnen samenleven:
“Notwithstanding impressive gains in our understanding of this symbiosis, its inherent complexity currently precludes our ability to extend effective nodulation or nitrogen fixing capacity to non-legume species. However, systemic infection of non-legumes with endophytic diazotrophic bacteria has been observed in several plant species and in some cases, appears to satisfy the majority of the “host” plant’s N requirement with amounts of BNF similar to that of legume root nodules “ (bron 2)
De lijst aan bacteriën die rond de wortel leven en N kunnen fixeren wordt steeds langer. Er blijken immers ook zwervers te bestaan die niet specifiek zijn maar wel op verschillende plantengroepen kunnen leven maar waarvan niet altijd duidelijk is hoe efficiënt hun N fixatie is. Vrij vertaald: het is ingewikkeld en we zouden toch zo graag een makkelijk antwoordt hebben zodat we gewoon één bepaalde bacterie zouden kunnen vangen en toepassen. Eén zaak komt zeker weer terug bij symbionten en vrij levende fixers (diazotrophs). Als je veel N toedient via bemesting en weinig organische stof in je bodem aanwezig is lijkt er niet zo veel te gebeuren. Zeker iets om mee rekening te houden!
"Normally, heterotrophic free-living diazotrophs are active, fixing N2 in surroundings rich in organic C and low in N "(bron 4) Nog een mooie quote: "endophytic diazotrophic bacteria thrive when conditions are adverse by assisting the host plant through direct or indirect mechanisms to flourish in poor conditions".
Phyllosfeer: bovengronds op het blad, stengel
In de graanteelt wordt al enkele jaren een bacteriepreparaat gebruikt dat de bacterie Methylobacterium symbioticum bevat. Door toepassen via een bladbehandeling (spuiten) kan elk gewas N gaan fixeren. Hoe minder N toegediend wordt via bemesting, hoe meer N de bacteriën leveren, gemiddeld 30 kg/ha volgens de fabrikant. In de tuin pas ik het nog niet toe. Professioneel, in mijn onderzoeksjob bij pcfruit, haalde ik er wel al interessante resultaten mee en ben ik het aan finetunen.
Op het zaad: spermosfeer
Heel wat N fixerende bacteriën kunnen via het zaad overgedragen blijkt uit wetenschappelijk onderzoek. Zaden van vlinderbloemigen inoculeren met N fixerende Rhizobium bacteriën is al heel lang ingeburgerd in land- en tuinbouw. Nu neemt dit ook een vlucht bij niet vlinderbloemige teelten. Het is al duizenden jaren een goede landbouwpraktijk om granen en peulvruchten samen te verbouwen. Goed voor ons dieet, goed voor bodem en teeltrotatie. Ondanks dat je ze samen goed kan verbouwen is het al jaren de heilige graal in BNF onderzoek om granen met N fixerende bacteriën te kunnen inoculeren. De eerste preparaten zijn ondertussen op de markt
Nota: er is ook best wel wat aandacht in onderzoeken om N-fixerende bacteriën genetisch te manipuleren zodat er kan gesleuteld worden aan efficiëntie van N-fixatie, planten waarmee ze kunnen samenleven,… Genetically engineered strains can produce significantly higher amounts of ammonia. Appropriate ammonia emissions can provide crops with the ammonia they need without excess amounts that can pollute lakes and oceans (bron 3)
(Bron tekening: Wikipedia)
Tip: Nog meer biologisch gebonden N in je systeem?: De kroosvaren Azolla waar ik lang geleden over schreef is dan weer een drijfplant.
Gebruikte bronnen:
Bron 1: Article Source: Nitrogen fixation in a landrace of maize is supported by a mucilage-associated diazotrophic microbiota
Van Deynze A, Zamora P, Delaux PM, Heitmann C, Jayaraman D, et al. (2018) Nitrogen fixation in a landrace of maize is supported by a mucilage-associated diazotrophic microbiota. PLOS Biology 16(8): e2006352
Bron 2: Chanway CP, Anand R and Yang H (2014) Nitrogen Fixation Outside and Inside Plant Tissues. Advances in Biology and Ecology of Nitrogen Fixation. InTech.
Bron 3: Coxworth, Ben. "Engineered ammonia-producing bacteria could replace crop fertilizers". New Atlas. Retrieved 2022-02-21
Bron 4 :Jagdish K. Ladha, Mark B. Peoples, Pallavolu M. Reddy, Jatish C. Biswas, Alan Bennett, Mangi L. Jat, Timothy J. Krupnik, Biological nitrogen fixation and prospects for ecological intensification in cereal-based cropping systems, Field Crops Research, Volume 283, 2022