Een eeuwenoud debat over hoe stikstofbindende bacteriën de celwanden van peulvruchten doorbreken, is beslecht door een onderzoeksteam onder leiding van het Joint BioEnergy Institute (JBEI) van het Department of Energy. De bevindingen van het team, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences, bieden nieuwe inzichten in de moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan de symbiotische relatie tussen peulvruchten en rhizobia, en zouden kunnen leiden tot de ontwikkeling van efficiëntere stikstofbindende gewassen.

Stikstoffixatie is het proces waarbij stikstof uit de lucht wordt omgezet in ammoniak, dat vervolgens door planten kan worden gebruikt om eiwitten en andere stikstofhoudende verbindingen te produceren. Dit proces is essentieel voor de plantengroei, maar is ook zeer energie-intensief. Peulvruchten hebben een symbiotische relatie ontwikkeld met rhizobia, dit zijn bacteriën die in knobbeltjes op de wortels van peulvruchten leven en stikstof uit de lucht omzetten in ammoniak.

Het debat over de manier waarop rhizobia de celwanden van peulvruchten doorbreekt, is al meer dan 125 jaar aan de gang. Sommige wetenschappers geloven dat rhizobia een proces gebruiken dat ‘celwandafbraak’ wordt genoemd, waarbij ze enzymen afscheiden die de celwanden van de plant afbreken. Anderen geloven dat rhizobia een proces gebruiken dat 'invasie' wordt genoemd, waarbij ze fysiek de celwanden van de plant binnendringen.

In hun onderzoek gebruikte het JBEI-team een ​​combinatie van microscopie en moleculair biologische technieken om aan te tonen dat rhizobia zowel celwanddegradatie als invasie gebruiken om de celwanden van peulvruchten te doorbreken. Het team ontdekte dat rhizobia eerst enzymen afscheidt die de celwanden van de plant afbreken, en vervolgens deze enzymen gebruiken om kanalen te creëren waardoor ze fysiek de celwanden kunnen binnendringen.

Deze ontdekking heeft belangrijke implicaties voor de ontwikkeling van efficiëntere stikstofbindende gewassen. Door te begrijpen hoe rhizobia de celwanden van peulvruchten doorbreekt, kunnen wetenschappers gewassen ontwerpen die beter bestand zijn tegen rhizobia-infecties, wat zou kunnen leiden tot verhoogde stikstoffixatie en verbeterde gewasopbrengsten.

"Deze studie biedt een nieuw inzicht in de moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan de symbiotische relatie tussen peulvruchten en rhizobia", zegt JBEI-directeur Jay Keasling. “Deze kennis zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van efficiëntere stikstofbindende gewassen, wat een grote impact zou kunnen hebben op de mondiale voedselzekerheid.”