Een inleiding tot het microbioom van het wortelgebied

Dankzij voortdurend onderzoek is er de afgelopen jaren enorme vooruitgang geboekt in het wetenschappelijk begrip van het wortelgebied-microbioom - met andere woorden, het microbiële leven op en rond de wortels van een plant. Maar hoe ontwikkelt het microbioom van de wortelzone zich in steenwol en wat gebeurt er echt in deze fascinerende, onzichtbare wereld?

Het wortelgebied in een niet-organisch groeimedium zoals steenwol kan net zoveel bacteriën bevatten als een biologisch substraat - tot soms meer dan een miljard per milliliter steenwol," zegt Marta Streminska, microbieel ecoloog aan de Wageningen University & Research, Business Unit Glastuinbouw en Bloembollen in Bleiswijk, Nederland. 

Definitie: Een microbioom is een karakteristieke microbiële gemeenschap die een redelijk goed afgebakende habitat bewoont die verschillende fysio-chemische eigenschappen heeft. Het microbioom verwijst niet alleen naar de betrokken micro-organismen, maar omvat ook hun activiteitsterrein, wat resulteert in de vorming van specifieke ecologische niches. In het geval van het wortelgebiedmicrobioom is dat het gebied direct rond de wortels van een plant, de rhizosfeer, en de micro-organismen in het bredere wortelgebied.

Schoon en ziektevrij op het punt van productie

Het is niet moeilijk voor te stellen dat organische groeimedia zoals cocos krioelen van het microbiële leven. Maar hoe zit het met niet-organische groeimedia zoals steenwol? Bevatten die ook microben in het wortelgebied? "Grodan's steenwol groeimedium is schoon en ziektevrij op het moment van productie. Zodra er echter water, plantennutriënten, zaden en planten worden toegevoegd, beginnen microben zich onmiddellijk te verspreiden en ontstaat er snel een divers microbioom in het wortelgebied (zie grafiek ).

Hoe ontwikkelt het microbioom zich in steenwol?

"Als we een jonge zaailing in een blok of mat van steenwol planten, koloniseren de microben snel het wortelgebied, waar ze gedijen op wortelexsudaten: organisch materiaal zoals glucose, organische zuren en secundaire metabolieten die tijdens de groei voortdurend door de plantwortels worden afgescheiden. Wat betreft het aantal bacteriën is er geen enorm verschil tussen steenwol of biologisch groeimedium," zegt ze. "Deze aantallen zijn verbluffend, met meer dan een miljard cellen van 600 tot 700 verschillende geslachten per milliliter steenwol".

"Het is nu nog duidelijker dat er een verschil is tussen de microbiële populaties die zich direct in de rhizosfeer ontwikkelen en in de rest van het wortelgebied. Dus zelfs op zo'n kleine ruimtelijke schaal zijn er meetbare en gedefinieerde microbiële verschillen," merkt Marta op.

"Een belangrijk verschil tussen het microbioom in steenwol en biologische groeimedia is de aanwezigheid van schimmels. Schimmels hebben een voorkeur voor complex organisch materiaal zoals cellulose en lignine, dat overvloediger aanwezig is in biologisch groeimedia. De reden hiervoor is dat een organisch groeimedium gemaakt is van dood plantaardig materiaal," voegt ze eraan toe. Deze eenvoudige verklaring is waarom er meer schimmels worden aangetroffen in organische groeimedia in vergelijking met steenwol, omdat schimmels het vermogen hebben om complexe organische verbindingen af te breken en weer koolstof beschikbaar te maken.

Intensief onderzoek

Jarenlang werd het belang van micro-organismen in plantengroei onderschat en vaak volledig over het hoofd gezien. "Zo'n 20 of 30 jaar geleden werden micro-organismen in kweeksystemen vaak over het hoofd gezien, simpelweg omdat wetenschappers de diversiteit van microben niet konden zien omdat ze niet in het laboratorium gekweekt konden worden," vervolgt ze. Sindsdien hebben microbiologen, dankzij de vooruitgang in de moleculaire biologie, de rol van microben in planten intensiever kunnen bestuderen, zowel in de fyllosfeer (de bovengrondse plantendelen) als in de rhizosfeer (de ondergrondse plantendelen).

Het is tegenwoordig ook bekend dat, naast nauwkeurig irrigatiebeheer, een evenwichtig microbioom van de wortelzone een belangrijke bijdrage levert aan het behoud van de kracht, gezondheid, veerkracht en het productiepotentieel van een plant. "Met behulp van nieuwe wetenschappelijke technieken kijken we nu naar twee dingen: welke microben zijn er en wat is hun functie", zegt Marta.

Het goede, het slechte en het lelijke

Wanneer de microbioloog het heeft over de functies van microben in het wortelgebied, deelt zij ze in drie categorieën in (tabel 1). Vanuit het perspectief van de plantenteelt kunnen ze "de goeden, de slechten en de lelijken" worden genoemd. De 'goeden' hebben een positieve invloed op de plant, de 'slechten' hebben een negatieve invloed op de plant en de 'lelijken' zijn mogelijke menselijke pathogenen, hoewel ze een neutraal effect hebben op de plant. Voorbeelden van 'lelijken' zijn E. coli die in gewassen kan worden geïntroduceerd door menselijk contact en L. pneumophila welke goed kan gedijen in watersystemen. Dit categorisatieproces is echter niet altijd eenvoudig, omdat sommige microben uit hetzelfde geslacht goed, slecht en lelijk kunnen zijn. "De bacterie Pseudomonas fluorescens is bijvoorbeeld goed. Deze bacterie kan schimmelpathogenen onderdrukken en wordt gebruikt als biobestrijder in het wortelgebied. Pseudomonas syringae is een veel voorkomende, zo niet het meest voorkomende plantpathogeen. In tomaat veroorzaakt het bladvlekkenziekte.  Tot slot kan Pseudomonas aeruginosa longontsteking bij mensen veroorzaken.

Hetzelfde zien we bij sommige typen schimmels, zoals Fusarium. Veel soorten Fusarium veroorzaken verwelking en wortelrot in verschillende planten, aan de andere kant zijn er Fusarium-isolaten zoals Fusarium oxysporum isolaat Fo47 die helemaal niet plantpathogeen zijn en de plant juist beschermen tegen aanvallen door de pathogene Fusarium oxysporum, door de wortels te bezetten en de geïnduceerde weerstand van de plant te beïnvloeden", zegt ze. 

De meeste telers zijn maar al te bekend met voorbeelden van 'slechte' microben in het wortelgebied: plantpathogenen zoals Fusarium oxysporum en Pythium aphanidermatum welke planten ziek maken. "In de natuur ondersteunen ze het natuurlijke selectieproces door zwakke planten uit te schakelen, maar ze zijn natuurlijk ongewenst in de grootschalige commerciële kassen van tegenwoordig, die de neiging hebben om monocultuurgewassen te telen met een hoge mate van uniformiteit binnen de populatie door het gebruik van F1 hybride zaden," voegt Marta toe.

Dankzij voortdurend onderzoek is nu bekend dat sommige 'goede' microben (zie de voorbeelden in tabel 1) kunnen helpen om een plant tegen dergelijke pathogenen te beschermen. "Sommige vallen de ziekteverwekker rechtstreeks aan om te voorkomen dat deze de plant aantast. Andere werkingsmechanismen kunnen zijn dat ze de plant aanzetten om zich voor te bereiden op een aanval van een ziekteverwekker, bijvoorbeeld door hormonen zoals salicylzuur of jasmonzuur te produceren. Sommige Bacillus stammen doen vaak beide. Ze produceren bijvoorbeeld metabolieten die plantpathogenen rechtstreeks doden en de systemische weerstand van de plant induceren door de productie van salicylzuur en jasmonzuur te beïnvloeden.  Door de rhizosfeer op deze manier te koloniseren, kunnen 'goede' microben de toegang van pathogenen tot de wortels beperken," zegt ze.

Bijdrage aan veerkrachtig groeien

"In tegenstelling tot nuttige insecten kunnen bacteriën en schimmels niet direct op de plant of in het watermonster worden gezien of geteld. Maar ze zijn er wel en ze kunnen echt een enorm verschil maken voor de veerkracht van de plant", aldus de microbieel ecoloog. Daarom is het belangrijk om het microbioom van het wortelgebied in het groeimedium in de richting van een stabiel en gunstig evenwicht te sturen.

In de context van de huidige verschuiving naar veerkrachtige teeltsystemen in de gecontroleerde landbouw kunnen microben ook een belangrijke bijdrage leveren aan het verminderen van het gebruik van chemicaliën bij de overgang naar natuurlijke bestrijding van ziekteverwekkers en plagen.

Daarnaast kunnen 'goede' microben verschillende andere functies vervullen in het wortelgebied. "Sommige microben - vooral schimmels - voeden zich met de cellulose in rottende wortels in het groeimedium, waarbij ze het organisch materiaal afbreken om de organische koolstof weer beschikbaar te maken. Anderen spelen een rol in de beschikbaarheid en opname van voedingsstoffen zoals stikstof, fosfor en micronutriënten. Op dit moment worden in hydrocultuursystemen alle voedingsstoffen continu in minerale vorm aan de plant geleverd door middel van irrigatie. Dat betekent echter niet dat de micro-organismen de planten niet kunnen helpen met de opname van deze voedingsstoffen en tegelijkertijd kunnen helpen beschermen tegen ziekten. Microben in het wortelgebied scheiden verbindingen af die 'sideroporiën' worden genoemd. Deze vormen een chelaat met ijzer, waardoor het ijzer niet langer beschikbaar is voor andere potentieel pathogene micro-organismen, en waardoor hun virulentie voor planten afneemt.  Een andere belangrijke functie van microben in het wortelgebied, zoals sommige Trichoderma- of Pseudomonas-soorten, is de productie van verschillende metabolieten. Deze organische moleculen kunnen plantenhormonen zijn zoals auxines en cytokinines die de plantengroei en -ontwikkeling bevorderen," legt ze uit.

Het is duidelijk dat de wortelzone in zowel organische media als groeimediums op steenwol honderden generaties micro-organismen herbergt. Hoewel er nog steeds onderzoek gaande is om hun individuele functies beter te begrijpen, lijdt het geen twijfel dat de juiste balans in het microbioom van de wortelzone kan bijdragen aan een sterkere, gezondere, veerkrachtigere en productievere plant. Maar hoe kan het microbioom in het wortelgebied worden gestuurd? En wat zijn de voordelen van steenwol in deze context? Lees deel 2 van deze serie om erachter te komen.