Aan een kind, aarde is gewoon vuil - een thuis voor wormen. Voor een tuinman, bodem is een verzameling van organisch materiaal en voedingsstoffen. Maar voor planten, bodem is een broeinest van chemische activiteit. En planten observeren niet alleen, zij nemen actief deel aan deze activiteit.

Planten geven chemicaliën af aan de bodem, exsudaten genoemd, die microben vertellen om bepaalde chemische processen in of uit te schakelen. Wetenschappers beginnen deze signalen te begrijpen en hopen ze te gebruiken om de efficiëntie te verbeteren, duurzaamheid en milieu-impact van de agrarische industrie van een biljoen dollar.

De drie belangrijkste voedingsstoffen die planten nodig hebben om te groeien zijn koolstof, stikstof en fosfor. De koolstofbehoeften van een plant komen uit lucht in de vorm van koolstofdioxide, maar de stikstof- en fosforbehoeften komen uit de bodem, en vaak is stikstof van nature het meest schaarse element – ​​en dus om hun opbrengsten te verhogen, boeren voegen stikstof toe aan de bodem.

Kunstmest met stikstof is een essentieel onderdeel van een landbouwsysteem dat meer dan 7 miljard mensen voedt, maar het brengt enorme milieukosten met zich mee. Naarmate de bevolking groeit, en naarmate de voedingsgewoonten veranderen in meer op vlees gebaseerde diëten, stikstofvervuiling lijkt een nog groter probleem te worden.

Stikstofvervuiling bestrijden

"De mate waarin we ons wereldwijd met de stikstofcyclus hebben bemoeid, is verbazingwekkend, " zegt professor Herbert Kronzucker, hoofd van de School of BioSciences van de Universiteit van Melbourne.

"210 miljoen ton stikstof per jaar wordt uit de atmosfeer gehaald en door menselijke activiteiten omgezet in een vaste vorm van stikstof. En het meeste hiervan komt terecht als meststof in landbouwgrond.

"Maar minder dan de helft hiervan kan daadwerkelijk door planten worden opgevangen. De rest gaat verloren in de atmosfeer als stikstofgas of het broeikasgas lachgas, of uitspoelt in waterwegen waar het een belangrijke verontreinigende stof is.

"In de VS, meer dan de helft van alle meren wordt zwaar getroffen door te veel stikstof of fosfor."

Maar wat als in plaats van steeds meer stikstof aan de bodem toe te voegen, wij planten helpen om de stikstof die er al is beter te benutten?

Professor Kronzucker en zijn collega's aan de Universiteit van Toronto, Laval University en de Chinese Academie van Wetenschappen zijn op zoek naar gewassen die communiceren met de bodem op een manier die hun stikstofbehoefte vermindert.

"We raakten geïnteresseerd in de relatie tussen chemicaliën uit planten en de impact die deze hebben op bodemmicroben, " zegt professor Kronzucker.

Menselijke bemoeienis

Stikstof heeft vele chemische vormen. De meest bruikbare vormen voor plantengroei zijn nitraat (NO3-) en ammoniak (NH3). Chemische processen in de bodem zetten stikstof om tussen deze en andere vormen.

Een voorbeeld is een proces genaamd nitrificatie, die ammoniak omzet in nitraat. Nitraat is problematisch in de bodem omdat, terwijl planten er dol op zijn, het blijft niet hangen zoals ammoniak. Het heeft de neiging op te lossen in water en wordt door regen en grondwater uit de grond weggespoeld. Ook, bodemmicroben zetten nitraat om in stikstofgas, wat nutteloos is voor planten.

Al deze processen zijn omkeerbaar, en uiteindelijk wordt stikstofgas teruggevoerd naar de bodem via een ander microbieel proces dat stikstoffixatie wordt genoemd, maar dit proces is te traag voor industriële landbouwsystemen. Boeren moeten steeds meer stikstof toevoegen, en meestal in de vorm van stikstofkunstmest.

Deze meststoffen worden geproduceerd met behulp van een energie-intensief industrieel proces dat stikstofgas 'vastlegt' door het om te zetten in ammoniak. Dit proces, het Haber-Bosch-proces genoemd, was een belangrijke factor in de Groene Revolutie die begon in de jaren zestig en nu voorziet in voedsel voor meer dan 7 miljard mensen.

In recente jaren, door menselijke activiteit is de hoeveelheid stikstof die de aarde binnenkomt meer dan verdubbeld. En de helft van deze extra stikstof gaat verloren. Maar professor Kronzucker zegt dat het niet zo hoeft te zijn.

Planten die groeien in gebieden met een lage of intermitterende stikstofbeschikbaarheid, produceren exsudaten die de omzetting van stikstof in de bodem kunnen blokkeren of versterken om de stikstofopname te verbeteren wanneer de beschikbaarheid van stikstof in de bodem laag is.

Het potentieel van plantaardige exsudaten

Professor Kronzucker begon voor het eerst te bestuderen hoe plantenexsudaten interageren met de stikstofchemie in de bosbomen van Canada. Maar sindsdien is hij meer geïnteresseerd geraakt in de manier waarop deze interactie werkt met 's werelds belangrijkste gewassen.

Vorig jaar publiceerde zijn groep hun onderzoek naar plantenexsudaten uit rijst.

"Rijst voedt drie miljard mensen, maar het was niet onderzocht vanwege zijn plantafscheidingen, " zegt professor Kronzucker.

Ze ontdekten dat alle rijststammen die ze testten exsudaten hadden die de bodemstikstof konden beïnvloeden.

"Dit is een paradigmaverschuiving. Waar we ook kijken, we vinden iets, " zegt professor Kronzucker.

Het team begon toen met het herzien van alle bestaande onderzoeken naar plantaardige exsudaten in rijst, tarwe en maïs. Ze waren vooral geïnteresseerd in chemicaliën die specifiek nitrificatie remmen, het proces dat ammoniak omzet in nitraat.

Dit werk is gepubliceerd in Natuur Planten .

Ze ontdekten dat er heel weinig bekend is over deze biologische nitrificatieremmers (BNI's) in wortelexsudaten van tarwe en maïs, de twee grootste wereldwijde gewassen na rijst. In feite, Over BNI's in maïs is helemaal niets bekend.

Uit zijn ervaring met rijst, Professor Kronzucker denkt dat deze exsudaten zullen worden gevonden in tarwe en maïs, we hoeven ze alleen maar te zoeken.

Naarmate we beter begrijpen hoe planten met de bodem praten, deze ontdekkingen kunnen leiden tot nieuwe landbouwtechnieken, kunstmatige grondadditieven, of genetische modificatie om gewasstammen te produceren die het stikstofverlies kunnen beperken. Echter, Professor Kronzucker zegt dat er een "enorm potentieel" is in het simpelweg screenen van bestaande rijstrassen, tarwe en maïs voor "stikstofsupersterren".

"Als je het screeningswerk goed doet met de soorten genotypen die er zijn, je hoeft niet naar genetische modificatie te kijken, " hij zegt.

Een nieuwe groene revolutie

Professor Kronzucker is niet verbaasd dat wortelafscheidingen uit rijst, tarwe en maïs worden zo slecht begrepen. In ontwikkelde landen, stikstofkunstmest is relatief goedkoop en er is weinig prikkel voor boeren om tijd of moeite te steken in het verminderen van het gebruik van kunstmest. Daarom, er is weinig stimulans geweest, of financiering, voor onderzoek om hierbij te helpen. Professor Kronzucker denkt dat dit zal veranderen.

"Nu hebben we koolstofplafonds - we hebben manieren om de koolstofemissies te verminderen. We hebben vergelijkbare manieren nodig om de stikstofemissies te verminderen. Goede praktijken moeten worden beloond, en slechte praktijken moeten worden bestraft."

Hij hoopt dat dit zal leiden tot een nieuwe groene revolutie.

"Sinds het begin van de groene revolutie in de jaren zestig hebben we een fenomenaal succes gezien in de opbrengst. Maar omdat meststoffen zo gemakkelijk verkrijgbaar waren, de meeste cultivars zijn ontwikkeld in systemen met een hoog stikstof- en een hoog fosforgehalte, niet onder nutriëntenbeperking.

"Nu is er een verschuiving naar cultivars die zuinig zijn met voedingsstoffen. In sommige delen van de planeet doen boeren dit uit noodzaak, ze hebben geen keus. In Afrika is het typisch om te werken in omstandigheden met beperkte voedingsstoffen."

Professor Kronzucker zegt dat plaatsen zoals Afrika de "stikstofsupersterren" zijn.

"Op deze plaatsen zijn er veel schatten die boeren hebben uitgezocht."