Grundstoffet fosfor er grundlæggende for alt liv. Med de stigende mængder af fosfor, der bruges til kommerciel gødning, risikerer klodens lagre af fosfor - ifølge mange - helt at blive tømt. Derfor arbejder forskere på at gøre planter bedre til at optage fosfor, og en nøgle til det er svampene i planternes rodnet. Nye resultater peger på en central mekanisme i samarbejdet mellem svampe og planter, og hvis den kan justeres, kan man spare på fosforet i gødningen.
Vores knogler, tænder, gener og alle vores cellers membraner er dybt afhængig af grundstoffet fosfor, men hvis mennesket fortsætter sit forbrug af stoffet til gødning, kan lagrene af fosfor risikere at blive tømt. Hvornår ved man ikke, men hvis planterne kan blive bedre til at udnytte fosforet i gødningen, kan man spare store mængder. En afgørende faktor er symbiosen mellem planter og mykorrhiza-svampe, der kan levere fosfor direkte ind i plantens rod, udvundet fra steder i jorden, planternes rødder ellers ikke har adgang til.
”Nogle næringsstoffer i gødning, fx fosfor, kan ikke bevæge sig i jorden, hvilket gør det svært tilgængeligt for planternes rødder. Det kan mykorrhiza-svampene omkring planternes rødder hjælpe til med. Vi har fundet en vigtig regulator i samspillet med planter og svampe. Ved at styrke symbiosen tidligt i plantens liv, kan vi sikre en mere effektiv udnyttelse af fosfor, så man kan reducere forbruget af fosforgødning. På den måde kan man udsætte datoen for, hvornår vi løber tør, og samtidig minimere skadelig udvaskning af fosfor til vandmiljøet,” forklarer adjunkt Thomas Christian de Bang fra Department of Plant and Environmental Sciences på Københavns Universitet.
Lukker ned for samarbejdet
For at undersøge, hvordan planter skruer op og ned for brugen af mykorrhiza-svampene, brugte forskerne planten Medicago truncatula – på dansk også kaldet tøndesneglebælg – en lille bælgplante, der ofte bruges til grundforskning. Målet var nemlig at finde ud af, hvilke gener der blev udtrykt ved henholdsvis lav og høj fosfor i naturen.
”Det koster planterne energi at indgå symbiose med mykorrhiza-svampe, så det gør de kun, når de har brug for det. Når der er lav fosfor, skruer planten derfor op for samarbejdet, mens den ved høj fosfor slår bremserne i og stopper samarbejdet, simpelthen for at spare på energien.”
Ved at undersøge og sammenligne, hvilke gener der blev aktiveret ved høj og lav fosfor, kunne forskerne derfor finde nogle bud på, hvilke gener der var vigtige for svampesymbiosen. Og efter at have analyseret en gruppe af potentielle kandidater nærmere, lykkedes det forskerne at finde frem til en kandidat blandt en gruppe af små peptider fra den såkaldte CLE-familie, der specifikt dannes i planternes rødder.
”Der findes 52 forskellige CLE-peptider i tøndesneglebælgens genom, hver med deres særlige funktion, men det var tydeligt fra resultaterne, at CLE53 spillede en særlig rolle. Når vi skruede ned for fosforen, blev der udtrykt mindre CLE53, men ved høj fosfor så vi langt mere af CLE53-peptidet. Høje CLE53-niveauer blev også observeret i planter ved lav fosfor, men kun når mykorrhiza-svampene var til stede, hvilket samlet set indikerede en vigtig rolle for CLE53 i at lukke ned for symbiosen med svampene.”
For at bekræfte, at det faktisk var CLE53, der lukkede ned for samarbejdet, gentog forskerne de samme forsøg med nogle mutanter af planten, hvor hhv. den såkaldte SUNN-receptor, som CLE53 binder til, og proteinet RDN1, som sætter sukkermolekyler på CLE53, var fjernet. I begge tilfælde så man ikke længere en nedlukning af symbiosen.
”Alt tyder altså på, at CLE53-peptidet spiller en afgørende rolle i den her symbiose, så hvis vi kan forstå præcis hvordan, og vi kan nedregulere peptidet på en nem måde, kan vi måske styrke samarbejde mellem planter og mykorrhiza-svampe,” forklarer Thomas Christian de Bang.
Spare på fosforet og miljøet
Det er især i starten af afgrødernes vækst, at det er vigtigt at styrke samarbejdet mellem planter og svampe. Mens planterne er små, er der nemlig rigeligt med fosfor i jorden omkring dem, men i takt med de vokser, stiger behovet for at hente fosforen længere væk.
”Rigelig adgang til fosfor i starten af planternes vækst er særligt vigtigt for at opnå høje udbytter, da fosfor indirekte styrer, hvor mange skud planten sætter, og dermed, hvor mange kerner planten kan producere. Det er et paradoks, at CLE53 bremser symbiosen med mykorrhiza-svampen ved høj fosfor, da det vil forsinke plantens optag af den fosfor, der er langt væk. En effektiv mykorrhiza-symbiose vil forbedre fosforudnyttelsen i vores landbrug, så man undgår at forbruge unødigt meget af denne begrænsede ressource, og ikke risikerer, at fosforen udvaskes til vandmiljøet, når der kommer store regnskyl.”
Forskerne har allerede en god ide om, hvilke typer af ændringer de skal lave i planter, for at de kan regulere produktionen af CLE53. De har derfor søgt om funding til proof-of-concept-forsøg i afgrødeplanter, hvor de ved hjælp af CRISPR-teknologi kan undersøge, om planterne får de rette egenskaber, så de bliver mere effektive til at danne symbiose og dermed mere effektive til at optage fosfor.
”Ved at se på rodnettet i mikroskop, måle genudtrykket og optaget af fosfor, kan det måles, om samarbejdet bliver bedre. Da vi i Europa ikke må bruge CRISPR eller gensplejsning af planter, der skal vokse i naturen, må vi derefter forsøge at få andre eksperter til finde ud af, om vi kan genskabe ændringer ved traditionelle forædlingsteknikker, så vi sikrer beholdningen af fosfor og sparer miljøet for unødige fosforudvaskninger.
“The CLE53-SUNN genetic pathway negatively regulates arbuscular mycorrhiza root colonization in Medicago truncatula” er udgivet i Journal of Experimental Biology. Thomas Christian de Bang modtog i 2017 støtte fra Novo Nordisk Fonden til projektet ”BIOPEP-Identification of Soil Microorganisms Stimulating Root Growth to Improve Phosphorus Uptake in Plants.”. Projektet er ligeledes støttet af Brdr. Hartmanns Fond, samt Københavns Universitet.
