Vinderen af DG’s Fotokonkurrence 2019: Rodknolde kan rumme nøglen til bæredygtigt landbrug

Motivet på årets vinderfoto i DG’s Fotokonkurrence 2019 ligner noget udefinerbart langt ude i universet, men i virkeligheden viser billedet noget så jordisk som to knolde på roden af planten Lotus japonicus. Planten indgår en særlig symbiose med jordbakterier, hvilket gør planten uafhængig af kvælstofgødning. En egenskab, forskere drømmer om at overføre til andre planter i håb om at skabe fremtidens bæredygtige landbrug.  

Omgivet af mørke ses en stor blåviolet og selvlysende boble med en mindre og mere blålig boble i baggrunden på juryens vinderbillede i Danmarks Grundforskningsfonds Fotokonkurrence 2019. Selvom motivet på vinderbilledet leder tankerne hen på en stjernehob eller fremmede og udefinerbare himmellegemer langt ude i universet, er der egentlig tale om noget langt mere jordnært – bogstavelig talt.

”Det, vi ser på billedet, er to rodknolde på roden af planten Lotus japonicus – på dansk kaldet japansk kællingetand. Til højre er det en ung rodknold, der ikke er så stor endnu, og til venstre ser vi en fuldt udvokset rodknold. Det er et mikroskopi-billede, og de små lyseblå, næsten hvide prikker i den store rodknold til venstre er plantens cellekerner, som fluorescerer efter farvning med DAPI. De mørkeblå plamager på rodknoldene viser jordbakterien Mesorhizobium loti, der er farvet med enzymet LacZ,” forklarer manden bag vinderbilledet, seniorforsker Niels Sandal fra Aarhus Universitet.

Symbiose mellem plante og bakterier gør kunstgødning unødvendig

Japansk kællingetand er en bælgplante, og de fleste bælgplanter har den særlige egenskab, at de indgår i symbiose med jordbakterier kaldet Rhizobium-bakterier. Symbiosen gavner begge parter, da bakterierne har en evne til at omdanne kvælstof fra luften til ammonium, hvilket kan optages i planten som gødning, og omvendt leverer planten næring i form af kulhydrat til bakterierne. Hvor planter ofte forsvarer sig mod bakterier, fordi de er til skade, hilser bælgplanter som japansk kællingetand altså jordbakterierne velkomne, fordi bakterierne er til gavn.

Symbiosen er især interessant for forskerne, fordi japansk kællingetand med hjælpen fra bakterierne kan leve i jord uden kvælstof, og dermed har planten ikke behov for kunstigt fremstillet kvælstofgødning for at trives. I dag bruger man i produktionen af kvælstofgødning enorme mængder energi til at efterligne symbiosens mekanismer industrielt. For at bidrage til en mere bæredygtig og holdbar landbrugsform er forskernes ultimative drøm derfor at overføre bælgplantens egenskaber til andre planter.

”Kan vi overføre egenskaberne til eksempelvis kornplanter som majs, vil det betyde, at planterne kan vokse i udpint og kvælstoffattig jord uden hjælp fra gødning. Hvis man kan efterligne symbiosen og fjerne behovet for gødning, bliver kvælstoffet samtidigt bundet direkte i planten, og derved kan man bedre undgå, at gødning spredes i jorden og udvaskes til grundvand og vandløb,” forklarer Niels Sandal, der understreger, at der fortsat er meget lang vej, før drømmen kan gå i opfyldelse:

”Vi er stadig ved at tage de første skridt på vejen, men selv små skridt skaber stor forskningsmæssig udvikling. Sådan er det med grundforskning. I den forskningsgruppe, jeg har været en del af, har vi opbygget en enorm viden om japansk kællingetand og symbiosens grundlæggende mekanismer, og den viden er man nødt til at have, før vi kan begynde at forestille os at overføre egenskaberne til andre planter,” siger Niels Sandal.

Symbiosen aflures i plantens gener

Sandal har beskæftiget sig med japansk kællingetand i mere end 20 år som en del af professor Jens Stougaards forskningsgruppe på Aarhus Universitet. På baggrund af især forskning i symbiosen mellem bælgplanter og jordbakterier, er Stougaard i dag anerkendt som en af verdens førende molekylærbiologer og har gennem tiden fået en række store forskningsbevillinger fra blandt andet European Research Council, Bill & Melinda Gates Foundation og en bevilling fra Danmarks Grundforskningsfond til grundforskningscentret CARB, der løb fra 2007 til 2017.

Som en del af Stougaards gruppe har Niels Sandal primært beskæftiget sig med isolering af gener hos japansk kællingetand. Skal man i sidste ende overføre bestemte egenskaber fra en plante til en anden, er forskerne nemlig nødt til at forstå, hvordan bestemte gener i planten koder for specifikke egenskaber.

”I vores forskningsgruppe har jeg været med til at isolere plantegener, der er væsentlige for den velfungerende symbiose, heriblandt gener for to receptorer for et stof, bakterien producerer som et slags signal til planten om, at det er okay, at bakterien er der. Inden jordbakterierne kommer ind i roden gennem rodhårene, er stoffet en del af en signaludveksling mellem plante og bakterie, der så at sige godkender bakteriernes tilstedeværelse og sikrer, at de ikke er der for at snylte på planten,” forklarer Sandal og fortsætter:

Når planten ved hjælp af receptorerne genkender stoffet, sætter den gang i dannelsen af rodknolde. Bakterierne vandrer gennem rodhårene til rodknoldene, hvor bakterierne begynder at omdanne kvælstof til ammonium, så planten kan vokse bedre”.

Forskere fra hele verden bruger plantefrø fra aarhusiansk drivhus 

Generelt har professor Stougaards forskningsgruppe i hård international konkurrence været blandt de førende til at afdække store dele af den genetiske og biologiske information hos japansk kællingetand. Helt konkret bygger forskningen blandt andet på, at Sandal og hans kollegaer som en del af grundforskningscentret CARB gennem flere år opdyrkede og undersøgte forskellige såkaldt muterede linjer af japansk kællingetand. Muteret skal forstås sådan, at nogle af generne ikke længere fungerer. Man kigger så efter, om plantens udseende er ændret, når et bestemt gen er muteret, for derved at få viden om hvilke processer genet er vigtigt for.

”Vi havde et drivhus, hvor vi årligt dyrkede og arbejdede med cirka 27.000 planter. Gennem tiden kortlagde vi de forskellige linjers dna og arvemasse og indsamlede frø fra planterne. Sidenhen har vi lagt den viden, vi har om linjerne, frem i en offentlig tilgængelig database, hvor forskere fra hele verden kan lede efter en linje, hvor præcis det gen, de er interesserede i, er muteret. Herefter kan de bestille plantefrøene, som vi sender ud gratis,” forklarer Sandal.

Databasen har været med til at udbrede japansk kællingetand som model-plante indenfor forskning i bælgplanters symbiose med bakterier. Jens Stougaard var en af de første, der begyndte at beskæftige sig med symbiosen mellem japansk kællingetand og jordbakterier, og argumenterede allerede i begyndelsen af 1990’erne, at planten var oplagt som modelplante. Planten er velegnet som model, fordi den har et lille genom, er selvbestøver og ikke er særlig stor, så den kan dyrkes i stor skala både i laboratoriets petriskåle og i drivhuse. Spørger man Sandal er arbejdet med at isolere plantens gener og arbejdet med de forskellige muterede linjer det, han er mest stolt af at have været en del af i sin karriere som forsker:

”Det er grundlæggende vigtigt, at vi forsøger at forstå livet på Jorden rent biologisk, og mere konkret er det jo potentielt ekstremt vigtigt for fremtidens landbrug, hvis vi med vores viden om japansk kællingetand kan bidrage til at mindske eller fjerne brugen af energikrævende kunstig gødning. Derfor er jeg glad og stolt over at have været med til det benarbejde, der i dag danner grundlag for vores viden om planten og symbiosen med jordbakterierne,” slutter Sandal.

Læs om 2. pladsen i årets konkurrence her

Læs om 3. pladsen i årets konkurrence her

Læs mere om årets konkurrence her

Se vinderne i sidste års konkurrence her

Læs om konkurrencen hos videnskab.dk, der også har kåret læsernes vindere