Sommige ontdekkingen gebeuren per ongeluk. Bedenk hoe 28 september 1928, ontvouwd:Alexander Fleming, terug in het lab na een vakantie met het gezin, was vuile petrischalen aan het sorteren die niet waren schoongemaakt voordat hij wegging. Een schimmel die op een van de borden groeide, trok zijn aandacht - en zo begon het verhaal van 's werelds eerste antibioticum:penicilline.

Onlangs, aan de Universiteit van Delaware, de planten kregen een lang weekend geen water tijdens een klein botanie-experiment. Dat heeft nu geleid tot een intrigerende bevinding, vooral voor delen van de wereld die zwaar zijn getroffen door droogte - het Amerikaanse Westen, Europa, Australië, delen van Afrika, Zuidoost-Azië en Zuid-Amerika, onder hen.

Klimaatwetenschappers zeggen dat we de komende jaren meer frequente en ernstige droogtes moeten verwachten, terwijl bevolkingsexperts een toename van de wereldbevolking met 30 procent voorspellen, tot meer dan 9 miljard in 2050. Hoe zullen we onder zulke druk genoeg voedsel verbouwen voor iedereen, en dat duurzaam doen? Volgens dit UD-onderzoek het antwoord ligt misschien wel onder onze voeten.

Een droogtebestrijder ontdekken

Terug naar dat UD-experiment. Terugkerend naar het lab dat volgende maandagochtend, de postdoctorale medewerker vond een bak met zaailingen een verwelkte, slordige puinhoop, terwijl de andere bak met zaailingen in de houding stond. Het enige verschil tussen de trays:de grond van de bloeiende exemplaren was besproeid met Bacillus subtilis (UD1022), een bacteriestam die enkele jaren geleden bij UD werd ontdekt door een onderzoeksteam onder leiding van professor Harsh Bais van het departement Planten- en Bodemwetenschappen.

Het team van Bais heeft vastgesteld dat deze microben, die op het oppervlak van wortels en in de omringende grond leven, trigger porie-achtige openingen op de bladeren, huidmondjes genoemd, om goed af te sluiten om ziekteverwekkers buiten te houden en om de planten te beschermen tegen uitdroging.

Nadat het Bais-lab over het werk had gepubliceerd, Professor Yan Jin, een bodemfysicus op de afdeling, benaderde Bais om dieper te kijken om te zien of de microben invloed kunnen hebben op de bodem die ze bewonen.

"Er is een grote kloof in ons begrip van hoe goedaardige microben het zogenaamde 'groene water' kunnen beïnvloeden - het water in de bodem dat beschikbaar is voor planten, ' legde Jin uit.

Ze wilde weten of UD1022 de eigenschappen van de bodem kan veranderen:de structuur, scheikunde, hoe bodemporiën worden verdeeld en hoe hun grootte verandert - in relatie tot de groene watervoorziening. Ze wilde precies weten wat er in de bodem gebeurde en ging op zoek naar het antwoord.

In een recent gepubliceerd artikel in Onderzoek naar waterbronnen , Jin en haar team van UD, samen met collega's van het National Institute of Standards and Technology (NIST), bevestigen dat de nuttige microbe UD1022 de verdamping vermindert en het vermogen van de bodem om water vast te houden vergroot. Met behulp van state-of-the-art technieken, de studie biedt gedetailleerde analyses van hoe microben interageren met bodemdeeltjes om het ondergrondse ecosysteem fysiek te veranderen en planten te helpen droogte te verdragen.

Hoe microben water vasthouden

Er werd geëxperimenteerd in zowel het lab van UD, en het gebruik van krachtige neutronenbeeldvorming bij NIST om in de grond te kijken en vast te leggen wat er gebeurde.

In een gesloten milieukamer aan het UD College of Agriculture and Natural Resources, postdoctoraal onderzoeker Wenjuan Zheng en masterstudent Saiqi Zeng werkten met twee bodemmonsters tegelijk - een controlemonster en een monster behandeld met de UD1022-microben - en maten continu de waterretentiekenmerken van de grond en de waterverdampingssnelheid terwijl de grond werd gedroogd in de kamer. De experimenten werden gedaan voor verschillende gestructureerde bodems:zand, zandgrond en kleirijke grondmonsters, genomen van de UD-boerderij en van een landbouwexperimentstation in Georgetown, Delaware.

Om te bepalen wat er in de bodemmonsters gebeurde, het team vertrouwde op de beeldvormingsmogelijkheden van neutronenradiografie bij NIST.

"Neutronen kunnen water 'zien', "Zei Jin. "Omdat ze een sterke wisselwerking hebben met waterstof, ze bieden een ideale niet-destructieve techniek voor het onderzoeken van de verdeling van water in delicate materialen zoals onze grondmonsters die microben bevatten, live."

"We hadden het geluk dat we NIST vonden en hun beeldvormingsfaciliteiten konden gebruiken, " voegde Jin eraan toe. "Deze samenwerking was van cruciaal belang voor ons werk."

Kleine kolommen waren gepakt met aarde - één kolom werd behandeld met de UD1022-microben en de andere kolom werd niet behandeld. Daarna werden de kolommen verzadigd met water, en neutronenbeeldvorming registreerde het verdampingsproces. In totaal 1, Over een periode van ongeveer negen uur werden 500 afzonderlijke afbeeldingen van elk monster genomen. Ze gaven een gedetailleerd beeld van de verdeling van water in de monsters, evenals real-time verdampingsdynamiek. Een krachtige scanning-elektronenmicroscoop (SEM) hielp ontdekken wat de microben in de monsters aan het doen waren.

En hoe helpen deze kleine organismen (UD1022) de bodem om water vast te houden?

"Dit effect wordt veroorzaakt door het vermogen van de microben om een ​​gelatineus netwerk te vormen, een biofilm uit een complex mengsel van polysachariden, eiwitten, lipide, vitamines en suikers, " zei Zheng, de eerste auteur op het papier. Ze was destijds een postdoctoraal medewerker en is nu senior onderzoeker bij de afdeling Mechanica en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de Southern University of Science and Technology, China.

"Het is alsof de bacteriën deze huisjes voor zichzelf bouwen, ' zei Zheng.

De biofilm die de bacteriën genereren, werkt als een lijm om "bodemaggregaten" te vormen die meer water in hun poriën kunnen vasthouden.

Deze micro-organismen en hun kleverige matrix kunnen meer dan hun eigen gewicht dragen. "Het is aangetoond dat ze water vasthouden als een spons, absorberen 10 keer zoveel water als hun droog gewicht, " merkte Zheng op. "Deze natuurlijke biofilm verandert de bodemeigenschappen, waardoor de verdamping langzamer gaat. Hierdoor kan er meer water beschikbaar komen voor planten, evenals de beschikbare tijd voor planten verlengen om zich metabolisch aan te passen aan stress door droogte."

Terwijl een groot deel van de Amerikaanse oostkust een zomer en vroege herfst vol water heeft gehad, andere delen van het land en vele andere landen lijden onder meedogenloze, en in sommige gevallen, levensbedreigend, droogtes. Jin hoopt dat UD1022 een positieve rol kan spelen in de landbouw in deze uitgedroogde regio's naarmate de wereldbevolking groeit.

"Wat kunnen we doen om de voedselzekerheid te waarborgen?" vroeg Jin. "Planten kunnen genetisch gemodificeerd zijn, maar dat duurt lang. Veel bedrijven verkopen biomeststoffen om deze problemen op te lossen - soms werken ze, maar vaker niet. Daarom is meer fundamenteel onderzoek van cruciaal belang om ons te helpen de mechanismen op het werk te begrijpen. Door de interacties tussen plantenwortels en het bodemmicrobioom - een grotendeels onaangeboorde ondergrondse hulpbron - te begrijpen, hopen we nieuwe technologieën te ontwikkelen die de voedselproductie zullen verhogen en tegelijkertijd het gebruik van kunstmest zullen verminderen."