Na een uitgebreide studie van planten in de Verenigde Staten, zijn onderzoekers tot de onverwachte conclusie gekomen dat planten die stikstof uit de lucht kunnen fixeren het meest divers zijn in droge gebieden van het land. Deze bevinding druist in tegen de heersende veronderstelling dat stikstofbinders relatief het meest divers zouden moeten zijn in omgevingen waar stikstof in de bodem schaars is.

De resultaten waren bijzonder verrassend, aangezien stikstofbinders de eigenschappen missen die vaak worden geassocieerd met droge grond, zoals de dikke waterbergende stengels van cactussen. "Op het eerste gezicht lijken stikstofbinders niet per se geschikt te zijn voor droge ecosystemen", zegt hoofdauteur Joshua Doby, een doctoraalstudent aan de afdeling biologie van de Universiteit van Florida.

De reden voor dit onverwachte patroon was niet meteen duidelijk, maar Doby vermoedt dat het te maken heeft met de manier waarop stikstofbinders en niet-binders het element gebruiken.

Planten worden creatief om stikstof op te nemen

Planten nemen stikstof op in bijna elke structuur en reactie die in hun cellen plaatsvindt. Zonder dat zouden ze geen eiwitten kunnen produceren, enzymen kunnen maken of zelfs niet kunnen fotosynthetiseren. Met zo'n grote vraag naar stikstof is dit vaak een van de grootste beperkingen voor plantengroei - er is gewoon niet genoeg om rond te komen.

Om dit tekort op te vangen, hebben planten herhaaldelijk innovatieve manieren ontwikkeld om zoveel mogelijk stikstof uit hun omgeving te persen. Venusvliegenvallen en kleverige zonnedauw hebben structuren ontwikkeld om stikstof van insecten te stelen, mestmossen groeien uitsluitend op dierlijke uitwerpselen, en de gemodificeerde bladeren van sommige bekerplanten bieden een thuis voor vleermuizen in ruil voor de stikstofrijke uitwerpselen die ze achterlaten.

Hoewel stikstof moeilijk te verkrijgen is in de bodem, is er een bijna eindeloze voorraad die net buiten bereik hangt. Stikstofgas vormt ongeveer 78% van de atmosfeer van de aarde, maar net als iemand die sterft van de dorst terwijl hij verdwaald is op zee, zijn planten totaal niet in staat om het te absorberen.

Bacteriën daarentegen hebben het trucje meerdere keren onder de knie om stikstof uit de lucht te fixeren. Een toevallige alliantie tussen zo'n bacterie en een plant leidde tot een van de grootste botanische stralingen op aarde, waardoor de bonenfamilie ontstond, die tegenwoordig meer dan 18.000 soorten bevat. De wortels van veel bonenplanten produceren holle knobbeltjes die de groei van bacteriën bevorderen. De planten pompen deze voorkamers vol met suiker om hun bacteriële partners te voeden en de stikstof te extraheren die ze als afval verdrijven.

Botanici speculeren al tientallen jaren dat planten met stikstofbindende bacteriën meer divers zouden moeten zijn in ecosystemen zoals savannes en graslanden. Bosbranden razen regelmatig door deze omgevingen en transformeren bomen en struiken vol met voedingsstoffen in rook en as die wordt weggeblazen. Alle voedingsstoffen die na een brand in de grond achterblijven, kunnen bij regen onder het bereik van de wortels glippen, voordat ontkiemende planten de kans krijgen om ze op te nemen.

Stikstoffixatie bereidde planten voor op een koelere, drogere planeet

Onderzoekers van het Florida Museum of Natural History, Louisiana State University en Mississippi State University gingen op zoek naar welke omgevingsfactoren de grootste rol speelden bij het vormgeven van stikstofbindende plantengemeenschappen in de Verenigde Staten. Met behulp van gegevens van het National Ecological Observatory Network (NEON) analyseerden ze records voor zowel inheemse als invasieve soorten van meer dan 40 locaties in de VS, waaronder Puerto Rico.

Volgens hun resultaten nam het aantal stikstofbinders toe in stikstofarme omgevingen en nam het af in steeds drogere habitats, zoals verwacht. Droge omgevingen ondersteunen over het algemeen minder plantensoorten dan die met meer regenval, en stikstofbinders vormen geen uitzondering op deze regel.

De verrassing kwam toen onderzoekers specifiek keken naar de diversiteit van inheemse stikstofbinders. Hoewel er minder soorten aanwezig waren, nam de diversiteit aan inheemse stikstofbinders sterk toe in droge gebieden, ongeacht de hoeveelheid stikstof in de bodem.

Het verschil tussen het aantal soorten - soortenrijkdom genoemd - en diversiteit is vergelijkbaar met het kiezen van een kleurenpalet. Een palet met 16 tinten blauw bevat meer tinten dan een palet met acht complementaire kleuren; het tweede palet bevat echter een grotere verscheidenheid aan kleuren en omvat een breder spectrum van zichtbaar licht.

Er zijn duizenden bloeiende plantensoorten die stikstofbindende bacteriën herbergen, en vaak groeien individuen die slechts in de verte verwant aan elkaar zijn zij aan zij in woestijnen en struikgewasvlaktes. Deze omvatten bekende voorbeelden, zoals mesquite- en elzenbomen.

Terwijl droogminnende planten zoals cactussen een hele reeks eigenschappen hebben ontwikkeld die hen in staat stellen te gedijen in woestijnen, denkt Doby dat planten met een rijke voorraad stikstof een ingebouwd voordeel hebben. "Het is niet per se omdat dorheid diversiteit stimuleert," zei hij. "Planten die meer stikstof bevatten, hebben dikkere nagelriemen, waardoor ze beter bestand zijn tegen waterverlies."

De meeste stikstofbindende plantenstammen zijn begonnen in het Krijt, toen dinosauriërs er nog waren en de temperaturen hoger waren dan nu. In de afgelopen 50 miljoen jaar is het klimaat op aarde geleidelijk afgekoeld en opgedroogd, wat heeft geleid tot de vorming van uitgestrekte graslanden en uitgestrekte woestijnen. Planten die het in deze nieuwe omgevingen niet aankonden, werden geleidelijk uitgeroeid, legt Doby uit, terwijl veel stikstofbinders die goed geschikt waren voor deze nieuwe wereld zich in de verlaten landschappen verspreidden.

"Deze studie geeft ons een heel goed idee van waarom plantengemeenschappen zijn zoals ze nu zijn", zei Doby, eraan toevoegend dat hij zich zorgen maakt over de omstandigheden die verschillende flora's in droge gebieden ondersteunen, misschien niet lang meer duren. "Naarmate dingen natter en warmer worden als gevolg van klimaatverandering, zullen de eigenschappen die deze planten goed aangepast en divers maakten niet meer erg gunstig zijn. Veel van de unieke plantengemeenschappen die we tegenwoordig hebben, zullen in gevaar komen in de lange termijn."

Het onderzoek is gepubliceerd in Global Ecology and Biogeography . + Verder verkennen

Graangewassen telen met minder kunstmest