Exploring the role of plant hormones in root developmental responses to metal-stress

Manipulatie van wortelgroei: de sleutel tot landbouw op vervuilde grond

In 2011 overschreed de wereldpopulatie 7 miljard en met de huidige groeisnelheid van ongeveer 1,10% per jaar zal 8 miljard overschreden worden in 2025. Deze groeiende populatie brengt een stijging in industrie en vervuiling met zich mee. De vraag naar plantproductie voor voedsel, veevoeder en biomassa (bv. voor biobrandstof productie) neemt toe. Het aantal bruikbare landbouwgronden daalt echter doordat vele gronden vervuild worden. Ongeveer 50 à 60 jaar geleden zorgde de groene revolutie voor een geleidelijke toename in de voedselproductie door middel van betere landbouwpraktijken en intensief gebruik van meststoffen en pesticiden. In de nabije toekomst zal de landbouw echter te kampen krijgen met tekorten aan water en minerale meststoffen. Bijgevolg is een nieuwe aanpak om plantgroei te optimaliseren nodig. In deze nieuwe techniek is het belangrijk dat niet alleen de plantgroei geoptimaliseerd wordt op de huidige landbouwgronden, maar ook op (momenteel) onbruikbare gronden. Hierdoor wordt niet alleen de opbrengst verhoogd, maar ook het aantal bruikbare gronden. Het wortelsysteem speelt een belangrijke rol in het optimaliseren van de plantgroei, aangezien het de opname bepaalt van voedingsstoffen, water en andere elementen aanwezig in de bodem.

Planten beschikken over een hoge ontwikkelingsplasticiteit (vooral in het wortelsysteem), waardoor deze vastzittende organismen toch kunnen overleven in een veranderde omgeving. De wortels kunnen de fysische en chemische eigenschappen van de bodem waarnemen en hun groei en ontwikkeling aanpassen naargelang deze eigenschappen. In verschillende studies werd gevonden dat de gestreste wortels zich herverdelen in de bodem waardoor ze ongunstige zones ontwijken en gunstige zones koloniseren. De herverdeling van de wortelgroei is reeds onderzocht voor verschillende stressfactoren zoals droogte, zoutheid, nutriënt tekorten, etc. Het doel van deze studies was de plantgroei te optimaliseren onder deze stress condities, aangezien deze in veel landbouwgronden voorkomen of zullen voorkomen in de toekomst.

In Vlaanderen is er een groot oppervlak aan marginale gronden die vervuild zijn met toxische concentraties aan metalen, zoals cadmium (Cd), zink (Zn) en koper (Cu), ten gevolge van landbouw en industrie. Deze vervuiling heeft niet alleen negatieve effecten op de plaatselijke fauna en flora, maar vormt ook een grote bedreiging voor de menselijke gezondheid. De vervuilde gronden kunnen momenteel niet gebruikt worden, aangezien de planten die hierop groeien de metalen zullen opnemen of omdat er zelfs geen planten op kunnen groeien in ernstige gevallen. Metalen zijn heterogeen verspreid in de bodem. Dit wil zeggen dat er zones zijn met een hoge concentratie aan metaal en zones met een lage concentratie (Figuur 1). Hierdoor kan de positionering van de wortels op twee manieren gemanipuleerd worden, namelijk om (1) enkel in de veilige zones of om (2) vooral in de hoogst vervuilde zones te groeien (Figuur 1). (1) Door de vervuiling te ontwijken zullen de planten niet in contact komen met de metalen en zullen bijgevolg deze ook niet kunnen opnemen. Op deze wijze kan op een veilige manier biomassa geproduceerd worden op mild vervuilde gronden. Het plantmateriaal kan dan gebruikt worden om bijvoorbeeld olie te produceren wat als grondstof kan dienen voor verschillende chemische industriële toepassingen of als biobrandstof. Bijkomend zal er ook minder competitie zijn met de voedselproductie. (2) Anderzijds kan de manipulatie van het wortelsysteem naar de vervuilde zones bijdragen aan het saneringsproces van zwaarder vervuilde bodems. Sanering van de bodem door middel van planten wordt fytoremediatie genoemd. Hierin onttrekken de planten de vervuilende stoffen van de bodem. In het geval van metaal vervuiling worden de planten geoogst en gerecycleerd. Momenteel worden reeds verschillende bodems gesaneerd door middel van fytoremediatie. Door de wortels te stimuleren om in de vervuilde zones te groeien, zal de fytoremediatie veel efficiënter en sneller verlopen. Beide toepassingen leiden tot een duurzaam gebruik van anders ongebruikte grond, waardoor de druk op landbouwgronden verlaagd wordt. De moleculaire kennis over de wortelgroei herverdeling die hiervoor nodig is, is echter nog afwezig.

Aangezien planten gebruik maken van hormonen om hun groei en ontwikkeling te coördineren, werd in deze thesis de hypothese gesteld dat planthormonen betrokken zijn in de stressrespons van de wortels. In deze thesis werd onderzocht welke effect cadmium, zink en koper hadden op de planthormonen abscissine zuur en ethyleen. Een interessant resultaat van deze thesis is bijvoorbeeld dat abscissine zuur betrokken is in de uitschakeling van het ontstaan van zijwortels ten gevolge van zink. In verder onderzoek zullen nog verscheidene hormonen onderzoek worden.

Wanneer eenmaal geweten is welke hormonen verantwoordelijk zijn voor een ontwijk- of een kolonisatie respons kan deze kennis gebruikt worden op een bepaalde reactie uit te lokken. De planthormonen kunnen beïnvloed worden door verschillende bacteriën die tussen en in de wortels van de plant leven in symbiose[1]. De bacteriën zijn in staat om bepaalde hormonen en hormoon inhibitoren[2] te produceren en aan de plant toe te dienen. Door de juiste combinatie van een gewas en bepaald bacteriën (die de gewenste stoffen produceren) kan het wortelsysteem gemanipuleerd worden zoals eerder beschreven (Figuur 1).

[1] Samenlevingsvorm van verschillende soorten waarin alle organisme voordeel hebben.

[2] Inhibitor = “remmer”, een stof die een inhibitie uitvoert