In de jaren tachtig zocht Howard-Yana Shapiro, nu landbouwleider bij Mars, Incorporated, naar nieuwe soorten maïs. Hij was in het Mixes-district van Oaxaca in het zuiden van Mexico, het gebied waar de voorlopers van maïs (aka mais) voor het eerst evolueerden, toen hij enkele van de vreemdste maïs ooit zag. Het was niet alleen 16 tot 20 voet lang, het 12-voet spul in Amerikaanse velden verkleinde, het duurde zes tot acht maanden om te rijpen, veel langer dan de 3 maanden die nodig zijn voor conventionele maïs. Toch groeide het tot die indrukwekkende hoogten in wat liefdadig arme grond kan worden genoemd, zonder het gebruik van kunstmest .. Maar het vreemdste deel van de maïs waren de luchtwortels - groene en roze, vingerachtige uitsteeksels steken uit de maïsstengel, druipend van een heldere, stroperige gel.
Shapiro vermoedde dat die slijmvingers de Heilige Graal van de landbouw zouden kunnen zijn. Hij geloofde dat de wortels deze unieke variëteit van maïs, Sierra Mixe genaamd en lokaal gekweekt gedurende honderden of zelfs duizenden jaren, toelaten om zijn eigen stikstof te produceren, een essentiële voedingsstof voor gewassen die gewoonlijk wordt toegepast als kunstmest in epische hoeveelheden.
Het idee leek veelbelovend, maar zonder DNA-hulpmiddelen om te kijken naar de details van hoe de maïs stikstof maakte, was de ontdekking opgeschort. Bijna twee decennia later, in 2005, begon Alan B. Bennett van de Universiteit van Californië, Davis - samen met Shapiro en andere onderzoekers - geavanceerde technologie te gebruiken om de stikstofbindende eigenschappen van de slijmgraan te onderzoeken. bacteriën die in het slijm leven, haalden stikstof uit de lucht en brachten het om in een vorm die de maïs kon absorberen.
Nu, na meer dan tien jaar veldonderzoek en genetische analyse, heeft het team hun werk gepubliceerd in het tijdschrift PLOS Biology. Als het stikstofbindende kenmerk in conventionele maïs zou kunnen worden gekweekt, waardoor het zelfs een deel van zijn eigen stikstof kan produceren, zou het de landbouwkosten kunnen verlagen, de uitstoot van broeikasgassen kunnen verminderen en een van de belangrijkste verontreinigende stoffen in meren, rivieren en de oceaan. Met andere woorden, het zou kunnen leiden tot een tweede stikstofrevolutie.
De synthetische productie van stikstof is misschien wel de grootste prestatie van de 20e eeuw. De ontdekking van het Haber-Bosch-proces en de verfijningen ervan, waarbij stikstof uit de lucht wordt gestript onder hoge hitte en druk in aanwezigheid van een katalysator, heeft geleid tot drie afzonderlijke Nobelprijzen. En ze zijn welverdiend. Naar schatting is het gewasrendement meer dan verdubbeld tussen 1908 en 2008, waarbij synthetische stikstofmeststoffen verantwoordelijk zijn voor tot de helft van die groei. Sommige onderzoekers hebben de enorme groei van de menselijke bevolking in de afgelopen zeventig jaar gekoppeld aan het toegenomen gebruik van stikstofmeststoffen. Zonder dat zouden we bijna vier keer zoveel land moeten bewerken of miljarden minder mensen op de wereld hebben.
Maar het produceren van al die stikstof heeft consequenties. Geschat wordt dat het maken van kunstmest via het Haber-Bosch-proces tussen de 1 en 2 procent van de energie in de wereld gebruikt, waarbij veel broeikasgassen vrijkomen. En synthetische stikstof spoelt routinematig velden uit in waterwegen, wat leidt tot massieve algenbloei die alle zuurstof opzuigt, waarbij vissen en andere organismen worden gedood. Er stroomt zoveel stikstof in rivieren en beken dat zich grote dode zones hebben ontwikkeld aan de monding van de rivieren in de wereld, waaronder een in de Golf van Mexico die vorig jaar de grootte van New Jersey had. Mark Sutton van het UK Centre for Ecology and Hydrology noemt stikstof 'de peetvader van vervuiling' - zijn effecten zijn overal, maar je ziet nooit echt de dader.
Onderzoekers hebben de maïs zelfs getransplanteerd naar Madison, Wisconsin, en ontdekten dat het nog steeds in staat was om zijn eigen stikstof uit zijn eigen omgeving te maken. (Foto: Jean-Michel Ané) Maar we kunnen niet zomaar stoppen met stikstof zonder grote verminderingen in de landbouw te zien. Hoewel beter beheer en landbouwmethoden het uit de waterwegen kunnen houden, zijn die strategieën niet voldoende om de ecologische problemen van stikstof op te lossen. Daarom hebben onderzoekers zich al tientallen jaren afgevraagd of er een manier was om graangewassen zoals maïs en tarwe te helpen hun eigen stikstof te produceren.
Het idee is niet zo vergezocht als het klinkt. Veel planten, met name peulvruchten zoals sojabonen, pinda's en klaver, hebben een symbiotische relatie met Rhizobium-bacteriën, die stikstof voor hen produceren. De planten groeien wortelknobbeltjes waar de bacteriën zich vestigen en genieten van plantensuikers terwijl ze stikstof in de lucht omzetten in een vorm die de planten kunnen gebruiken. Als een vergelijkbare symbiotische relatie zou kunnen worden gevonden die werkt in graangewassen zoals maïs en tarwe, geloven onderzoekers dat we ons gebruik van de verontreinigende stof kunnen verminderen.
Dat is de reden waarom de slijmgraan zo belangrijk is en waarom Bennett en zijn team acht jaar lang de bacteriën en gel bestudeerden en opnieuw bestudeerden om zichzelf ervan te overtuigen dat de maïs inderdaad in staat was zijn eigen stikstof te produceren. Met behulp van DNA-sequencing konden ze de microben in de slijmgedragen genen laten zien voor het fixeren van stikstof en de gel aantonen dat de maïs uitscheidt, wat veel suiker en weinig zuurstof bevat, perfect is ontworpen om stikstofbinding te stimuleren. Met behulp van vijf verschillende tests toonden ze aan dat de stikstof die door de microben werd geproduceerd, vervolgens in de maïs terechtkwam, waardoor 30 tot 80 procent van de behoeften van de plant werd geleverd. Ze produceerden vervolgens een synthetische versie van het slijm en zaaiden het met de microben, en ontdekten dat ze ook stikstof in die omgeving produceerden. Ze hebben zelfs Sierra Mixe gekweekt in Davis, Californië en Madison, Wisconsin, waaruit blijkt dat het zijn speciale truc buiten zijn thuisveld in Mexico kon uitvoeren.
"Dit mechanisme is totaal verschillend van wat peulvruchten gebruiken, " zegt Bennett, en voegt eraan toe dat het ook in andere gewassen kan voorkomen. “Het is zeker denkbaar dat vergelijkbare soorten systemen in veel granen voorkomen. Sorghum heeft bijvoorbeeld luchtwortels en slijm. Misschien hebben anderen subtielere mechanismen die ondergronds voorkomen die breder zouden kunnen bestaan. Nu we ons ervan bewust zijn, kunnen we ze zoeken. '
Co-auteur Jean Michel-Ane van de Universiteit van Wisconsin, Madison, is het ermee eens dat deze ontdekking allerlei nieuwe mogelijkheden opent. “Het ontwikkelen van maïs om stikstof te fixeren en wortelknobbels zoals peulvruchten te vormen is al tientallen jaren een droom en strijd van wetenschappers. Het bleek dat deze maïs een totaal andere manier ontwikkelde om dit stikstofbindingsprobleem op te lossen. De wetenschappelijke gemeenschap heeft waarschijnlijk de stikstofbinding in andere gewassen onderschat vanwege haar obsessie met wortelknobbeltjes, 'zegt hij in een verklaring. "Deze maïs liet ons zien dat de natuur oplossingen kan vinden voor sommige problemen die veel verder gaan dan wetenschappers zich ooit kunnen voorstellen."
Het blijkt dat de natuur nog meer stikstofproducerende trucjes in haar mouw heeft waar onderzoekers net grip op krijgen. Er zijn verschillende andere lopende projecten die erop gericht zijn graan- en groentegewassen de Haber-Bosching voor ons te laten doen. Een van de meest veelbelovende is het gebruik van endofyten, of micro-organismen zoals bacteriën en schimmels die in de intercellulaire ruimtes van planten leven. Onderzoeker Sharon Doty van de Universiteit van Washington raakte enkele decennia geleden geïnteresseerd in de organismen. Ze bestudeerde wilgen- en populieren, die als een van de eerste bomen op verstoord land groeien na gebeurtenissen als een vulkaanuitbarsting, overstromingen of rotsval. Deze bomen groeiden uit riviergrind en hadden nauwelijks toegang tot stikstof in de bodem. In hun stengels vond Doty echter endofyten die de stikstof voor de bomen fixeerden, geen knobbeltjes nodig. Sindsdien plaagt ze tientallen verschillende endofytenstammen, waarvan vele planten op verrassende manieren helpen. Sommige produceren stikstof of fosfor, een andere belangrijke voedingsstof, terwijl anderen de wortelgroei verbeteren en sommige planten laten overleven in droogte of zoutrijke omstandigheden.
"Er [is] een hele reeks verschillende microben die stikstof kunnen fixeren en een breed scala aan plantensoorten die erdoor worden beïnvloed, " zegt ze. Haar tests hebben aangetoond dat de microben de productiviteit van peper- en tomatenplanten kunnen verdubbelen, de rijstgroei kunnen verbeteren en droogtetolerantie kunnen bieden aan bomen zoals Douglas-sparren. Sommigen laten zelfs bomen en planten toe om industriële verontreinigingen op te zuigen en af te breken en worden nu gebruikt om Superfund-locaties op te ruimen. “Het voordeel van het gebruik van endofyten is dat het een heel grote groep is. We hebben soorten gevonden die werken met rijst, maïs, tomaten, paprika's en andere landbouwgewassen. ”
In feite kunnen endofyten eerder in plaats van boeren in handen komen. IntrinsyxBio, Los Altos, Californië, commercialiseert enkele van de endofyten van Doty. Chief Science Officer John L. Freeman zegt in een interview dat het bedrijf op weg is om een product klaar te hebben voor de markt in 2019. Het doel is om verschillende soorten endofyten in planten te brengen, waarschijnlijk door de zaden te coaten. Nadat die bacteriën hun intrek hebben genomen in de plant, zouden ze ongeveer 25 procent van de stikstof die ze nodig hebben eruit moeten pompen.
Een ander biotechbedrijf, genaamd Pivot Bio, heeft onlangs aangekondigd dat het een bètatest is van een vergelijkbare oplossing, met behulp van stikstofbindende microben die in de wortels van maïs groeien.
Het nieuw opkomende gebied van synthetische biologie barst ook in het stikstofprobleem. Joyn Bio uit Boston, opgericht in september, is een co-project tussen Bayer en Ginkgo Bioworks, een biotechbedrijf met ervaring in het creëren van aangepaste gisten en bacteriën voor de voedings- en smaakindustrie, naast andere 'designer microbe'-projecten. Joyn kamt momenteel door Bayer's bibliotheek van meer dan 100.000 microben om een gastheer te vinden die met succes planten kan koloniseren, vergelijkbaar met Doty's endofyten. Vervolgens hopen ze dat 'hostchassis' te tweaken met genen waarmee het stikstof kan fixeren. "In plaats van te vertrouwen op de natuur en een magische microbe te vinden, waarvan we denken dat deze niet bestaat, willen we onze gastmicrobe vinden en deze afstemmen om te doen wat we nodig hebben voor maïs of tarwe, " zegt Joyn CEO Michael Miille .
De Gates Foundation speelt ook in het spel en ondersteunt projecten die proberen de stikstofbindende eigenschappen van peulvruchten in granen te brengen. Weer andere teams hopen dat de komst van supercharged quantum computing nieuwe gebieden van chemie zal openen en nieuwe katalysatoren zal identificeren die het Haber-Bosch-proces veel efficiënter zullen maken.
Hoewel het onwaarschijnlijk is dat één oplossing alleen in staat zal zijn om 100 procent van de kunstmest die mensen gebruiken te vervangen, kunnen deze projecten samen misschien een ernstige deuk in stikstofvervuiling veroorzaken. Bennett hoopt dat Sierra Mixe en wat zijn team ervan heeft geleerd, deel zullen uitmaken van de stikstofrevolutie, hoewel hij toegeeft dat het een lange sprong is voordat zijn slijmerige maïsvingers stikstof gaan produceren in conventionele gewassen. Hij wil nu de genen identificeren die de luchtwortels produceren en vaststellen welke van de duizenden microben die in het slijm ontdekt zijn, feitelijk de stikstof fixeren.
"Ik denk dat wat we doen complementair kan zijn aan die benaderingen van [endoyfte en synthetische biologie]", zegt hij. "Ik denk dat we veel uiteenlopende strategieën zullen zien, en over 5 tot 10 jaar zal er iets ontstaan dat invloed heeft op hoe maïs stikstof krijgt."
Noot van de redactie 15-8-18: een eerdere versie van dit artikel heeft de naam van John L. Freeman verkeerd gespeld en zijn huidige bedrijf verkeerd geïdentificeerd.
