En stor del af landbruget er afhængig af kunstgødning i form af kvælstof for at få et relevant udbytte af det, som bliver sået på marken. Kunstgødning er dog både dyrt og potentielt set skadeligt for miljøet. Bælgplanter har dog ikke dette behov for kvælstofgødning, og nu har forskere identificeret, hvordan alt fra soja til ærter kommer omkring problemet.
Bælgplanter har noget, som landbruget gerne vil kunne kopiere.
Det drejer sig om et helt særligt symbiotisk forhold til nogle bakterier, der til gengæld for lidt kulhydrater producerer store mængder kvælstof, som bælgplanterne kan leve af.
Det symbiotiske forhold med de kvælstoffikserende bakterier gør, at bælgplanter kan vokse i jord uden nævneværdige mængder kvælstof, hvilket de fleste andre afgrøder ikke kan.
Når afgrøder har brug for store mængder kvælstof for at vokse og ikke får det gennem en kærlighedsaffære med bakterier, er landmanden nødt til at købe kvælstof i dyre domme og sprede det på sine marker. Det går både ud over landmandens pengepung og miljøet, der tager skade, når kvælstof ender i blandt andet vandløb og søer.
Der kan dog være godt nyt på vej, idet forskere netop har identificeret, hvordan bælgplanterne rent molekylærbiologisk skaber gode betingelser for kvælstoffikserende bakterier i planternes rødder. Opdagelsen kan på sigt åbne op for, at andre afgrøder, som for eksempel korn, kan gøre det samme.
"Hvis vi vil hen et sted, hvor landbruget er mere bæredygtigt, har vi behov for at finde ud af, hvordan vi kan reducere forbruget af kvælstof på markerne. Her er det helt naturligt interessant, at bælgplanter ikke i samme grad har brug for kvælstof og derfor kan klare sig med meget mindre gødning," fortæller en af forskerne bag studiet, postdoc Henriette Rübsam fra Institut for Molekylærbiologi og Genetik ved Aarhus Universitet.
Forskningen er offentliggjort i Science.
Symbiose er til gavn for alle
Forskere har længe kendt til symbiosen mellem de kvælstoffikserende bakterier og bælgplanter, men der har alligevel været nogle huller i deres viden.
De har vidst, at bælgplanterne for det første skal kunne skelne mellem gavnlige og farlige bakterier, og at de skaber nogle små rodknolde, som bakterierne kan trives i.
Kvælstoffikserende bakterier producerer blandt andet nogle signalmolekyler, som to såkaldte Nod-faktor-receptorer i bælgplanterne kan genkende. Når planten genkender signalmolekylerne, danner den små rør i hårrødderne, som bakterierne kan trænge ind gennem og ned til rodknoldene, hvor de kan leve mageligt med rigelig adgang til sukkerstoffer, så længe de trækker kvælstof ud af atmosfæren og gør den tilgængelig for planterne.
"Det var den del, som vi kendte til i forvejen, men vi vidste ikke, hvordan Nod-faktor-receptorerne interagerer for at igangsætte det symbiotiske program mellem planter og bakterier," forklarer Henriette Rübsam.
Fusionerede relevante receptorer
I studiet har forskerne lavet den til dato mest grundige undersøgelse af interaktionen mellem Nod-faktor-receptorerne NFR1 og NFR5.
Det har forskerne blandt andet gjort ved at koble et grønt fluorescerende protein (GFP) til en af receptorerne og en nanobody, der binder GFP til den anden receptor.
Koblingen af de to receptorer med GFP og en nanobody gjorde, at forskerne i levende planteceller kunne få NFR1 og NFR5 til at komme tæt på hinanden og dermed observere, hvad det havde af betydning for planterne.
"Vi vidste ikke, hvordan disse to receptorer interagerer med hinanden, fordi det er meget svært at observere i levende celler. Mange havde nogle ideer om, hvad der sker, men ingen vidste det med sikkerhed. I vores forsøg vidste vi dog, at de blev bragt tæt på hinanden," siger Henriette Rübsam.
Byg har lignende receptorer
Resultatet af forsøget viste, at interaktionen mellem NFR1 og NFR5 er det, som skal til for at aktivere det symbiotiske program i rødderne på bælgplanter.
Selvom forskerne ikke tilføjede bakterier til deres forsøgsopsætning, begyndte planterødderne at lave rodknolde, som om de var der.
"Det er vores hovedfund i studiet. Der skal ikke mere til at starte den symbiotiske proces, end at disse to receptorer bliver bragt sammen. I naturen sker det, når receptorerne genkender signalmolekyler fra de kvælstoffikserende bakterier," forklarer Henriette Rübsam.
I en anden del af studiet undersøgte forskerne bygplanter for lignende receptorer og fandt to, der strukturelt minder om NFR1 og NFR5. Disse to receptorer er ikke i stand til at binde signalmolekyler fra kvælstoffikserende bakterier, men da forskerne først gensplejsede dem ind i bælgplanter og derefter bragte dem sammen med metoden med et GFP og en antibody, kunne også de receptorer initiere symbioseprogrammet og skabe rodknolde.
Det er fremtiden i grøn fødevareproduktion
Henriette Rübsam ser et stort potentiale i forskernes opdagelse.
På sigt er det målet, at den nye viden skal udnyttes til at få også andre afgrøder end bælgplanter til at blive uafhængige at store mængder kunstgødning med kvælstof.
Forskerne har vist, at receptorer i byg allerede kan initiere det symbiotiske program og lave rodknolde i bælgplanter. Nu er det målet at få det samme til at ske i byg og sideløbende identificere, om andre kornsorter har lignende receptorer med det samme potentiale.
"Potentielt set kan en lang række andre afgrøder med et stort kvælstofbehov manipuleres til at indgå i en symbiose med kvælstoffikserende bakterier, hvilket vil bidrage gevaldigt til fremtidens grønne fødevareproduktion," siger Henriette Rübsam.
