Planten zijn nooit alleen, hun wortels leven in „een unieke gemeenschap van duizenden micro-organismen”. Veel landbouwgewassen zijn dit oorspronkelijke microbioom kwijtgeraakt. Hoe zit dat met de aardappel?
Dario X. Ramirez-Villacis is net terug uit zijn thuisland Ecuador, waar hij de laatste hand heeft gelegd aan zijn onderzoek naar het herenigen van gewassen met hun oorspronkelijke microbioom. „De Nederlandse kou vind ik niet erg, maar het is wel vervelend dat de dagen hier in de winter zo kort zijn”, zegt hij. „Ik kan er niet tegen dat er zo weinig zonlicht is.” In dat opzicht verschilt hij weinig van zijn favoriete gewas dat hij bestudeert: de wilde aardappel.
De voorouders van de eerste aardappelen kwamen uit de Republiek van de Evenaar (República del Ecuador). „Omdat het land op de evenaar ligt, is ’t het gehele jaar twaalf uur licht en twaalf uur donker. De aardappelen in Ecuador zijn dus geen lange zomeravonden of korte winterdagen gewend.” Omdat aardappelen al heel lang in deze regio voorkomen, is het de beste plek om op zoek te gaan naar het oorspronkelijke microbioom van de plant.
„Rondom de wortels van planten leeft een unieke gemeenschap van duizenden micro-organismen, die met de plant communiceren. Ze hebben invloed op de groei, kunnen beschermen tegen stress en ziekten, en kunnen zelfs de smaak van de eetbare delen veranderen.” Maar met de opkomst van landbouw is bij veel gewassen het originele microbioom verloren gegaan. Gewassen werden verscheept en verhuisd, naast elkaar op een akker gezet, bewerkt met voedingsstoffen en pesticiden, en verloren door kunstmatige selectie hun genetische diversiteit. „Landbouw verandert de microbiële context van gewassen en heeft het microbioom verarmd.”
Voor zijn promotieonderzoek bestudeerde Ramirez-Villacis het microbioom van de oorspronkelijke aardappelplant. „Ik wilde kijken welke functies het heeft, en of we deze ook kunnen toepassen bij moderne gewassen. ‘Rewilding’ noemen we dat in ons vakgebied.” Op 19 maart promoveerde hij aan de Universiteit Utrecht en het Nederlands Instituut voor Ecologie.
Dario groeide op in de hoofdstad Quito, waar hij biotechnologie en microbiologie studeerde. „Tijdens mijn bachelor begon ik micro-organismen enorm interessant te vinden. Maar ik hield ook veel van experimenteren.” Hij werkte in een lab waar hij voor agrarische bedrijven ziekten in gewassen signaleerde, maar eigenlijk wilde hij graag beter leren begrijpen hoe planten en micro-organismen samen evolueren. Toen verscheen er een van de eerste papers over ‘synthetische micro-gemeenschappen’: „Een onderzoeksgroep in North Carolina was erin geslaagd alle individuele soorten organismen rondom een plant te isoleren en reproduceren. Hierdoor werd het mogelijk om de functie te onderzoeken van elk soort micro-organisme en combinaties daarvan.”
Hij bezocht de onderzoeksgroep als stagiair en begon een onderzoek naar het bestrijdingsmiddel glyfosaat. „Meestal gebruiken bedrijven glyfosaat om onkruid te verdelgen, maar wanneer je het in een heel lage dosis toepast, gaat de plant juist groeien. Dit effect heet hormese, en kan in sommige gevallen de biomassa van de plant zelfs verdubbelen.”Hormese treedt niet altijd op. Waarschijnlijk heeft dit te maken met het microbioom, dachten Dario en zijn collega’s. „We analyseerden een synthetische microbe-gemeenschap die rondom een nauwe verwant van de broccoliplant leefde, en bespoten de planten vervolgens met glyfosaat. Het had geen negatieve effect op de groei, en we zagen dat twaalf soorten bacteriën erop reageerden.” In een volgend experiment liet zijn team deze bacteriën weg, en zagen ze dat de planten ineens wel sneller groeiden. „Het groei-effect van glyfosaat wordt dus geregeld door het microbioom.”
Na zijn tijd in de Verenigde Staten sloot hij zich aan bij zijn huidige onderzoeksgroep in Utrecht. Hier onderzoeken hij en zijn collega’s hoe planten bij stress met het microbioom communiceren, en bestuderen ze de functies van bacteriën en de rol van genen in plant-microbioominteracties.
Ramirez-Villacis kreeg de centre of origin-hypothese toegewezen. „Het idee is dat planten in hun oorsprongregio samen met hun microbioom zijn gecoëvolueerd, waardoor ze gunstige relaties hebben ontwikkeld. Veel bekende gewassen komen van oorsprong uit Zuid-Amerika, en specifiek uit Ecuador. Denk bijvoorbeeld aan tomaten, pepers, cacao en aardappelen. Mijn taak was om het oorspronkelijke microbioom van de aardappel te bestuderen, dus ging ik weer terug naar Ecuador.”
„Als ik aan de slag ga met de aardappel, moet ik eerst het verhaal van de aardappel leren kennen”, nam hij zich voor. Het waren de Spanjaarden die de plant in de zestiende eeuw voor het eerst meenamen naar Europa, vertelt hij. De Ecuadoriaanse varianten waren de Europese seizoenen niet gewend, dus kruisten de Spanjaarden ze met een variant van het Chileense eiland Chiloé. Zo ontstond de basis voor de moderne, gecommercialiseerde aardappel.
Toen de Spanjaarden de eerste aardappelen vonden, was het microbioom al verstoord, zegt Ramirez-Villacis. „In de wilde varianten zitten veel giftige alkaloïden, waardoor je de bloemen en wortels van de plant niet kunt eten. Met deze stoffen oefent de plant ook een selectiedruk uit op de omgeving: sommige micro-organismen overleven het of worden er zelfs door aangetrokken, terwijl veel andere sterven. Dit maakt het microbioom uniek en functioneel. Maar mensen hebben de plant duizenden jaren geselecteerd op zoetere varianten met minder alkaloïden, waardoor de relatie met het microbioom verloren is gegaan.”
Eenmaal terug in zijn geboorteregio ging hij op zoek naar wilde aardappelvarianten. „We reden door het hoogland van Ecuador, wel meer dan tweeduizend kilometer op en neer. Veel velden waren al opgeslokt door landbouw, waardoor op veel plekken geen wilde varianten te vinden waren. Het stemde me erg verdrietig toen ik dat zag; die soorten zullen nooit meer terugkomen.”
Uiteindelijk vond hij veertien geschikte plekken met wilde aardappelen. „Van elke locatie verzamelde ik tweehonderd kilo aarde. Met een truck brachten we dat naar een experimentele kas in Quito. Dat was een logistieke nachtmerrie.” In Quito vergeleek hij de aarde van wilde aardappelen met aarde van aardappelen die vlak bij de vindplek werden gecultiveerd. Hij plantte dezelfde plant en infecteerde die met de aardappelziekte Phytophthora infestans. „Dat is dezelfde ziekteverwekker die ooit de hongersnood in Ierland veroorzaakte. Het verspreidt zich razendsnel en de meeste planten sterven. Maar al snel zagen we dat de aardappelen in de aarde van de wilde varianten er een stuk beter tegen bestand waren.”
Maar zijn het daadwerkelijk de micro-organismen die dit verschil verklaren? Hij moest andere verklaringen uitsluiten, zoals het stikstof- en fosforgehalte van de grond. Het team verhitte de aarde van de wilde varianten om alle micro-organismen erin te doden, en voerde het experiment nogmaals uit. Ditmaal stierven zo goed als alle planten aan de ziekte, vrijwel even snel. Vervolgens transplanteerde Ramirez-Villacis een kleine hoeveelheid wilde aarde naar planten in gecultiveerde aarde. Nu bleken aardappelen in beide soorten aarde even resistent tegen de ziekte: „Voor het eerst hebben we hiermee laten zien dat inheemse micro-organismen kunnen bijdragen aan ziekteresistentie.”
De volgende stap is kijken welke micro-organismen precies verantwoordelijk zijn voor het effect. „We zijn gestart met dna-sequencen. We brachten het dna van de aarde en de wortels van de plant in kaart en vonden dat de gecultiveerde aarde standaard zo’n 150 soorten micro-organismen mist ten opzichte van de wilde aarde. Vijftig hiervan leken betrokken te zijn bij het beschermen van de plant tegen de aardappelziekte, en daarvan was het mogelijk om veertien ook in het lab te cultiveren.”
Met de synthetische micro-gemeenschap van veertien soorten wist hij het beschermende effect te hercreëren. „In theorie zouden we deze micro-organismen zo kunnen transplanteren naar een veld met Nederlandse aardappelen, en het zo beschermen tegen de ziekte.”
In de praktijk loopt de ‘rewilding’ van moderne gewassen tegen uitdagingen aan. „De grond en omgeving van akkers zijn vaak anders dan die van wilde varianten, dus we zouden de microben constant moeten toepassen, omdat ze anders vergaan.” Bovendien ontstaan langdurige effecten pas wanneer de plant de juiste signalen afgeeft die de micro-organismen aantrekken en onderhouden. Dit is op zijn beurt afhankelijk van specifieke genen die alleen in wilde oervarianten worden gevonden.
„Daarnaast is het enorm lastig om een gemeenschap van micro-organismen te laten goedkeuren voor grootschalig gebruik. Eén of twee soorten is nog te doen, maar wanneer je er meerdere hebt, is niet meer uit te sluiten dat ze gewassen ook op een ongewenste manier beïnvloeden.” Het is daarom praktischer om de functies van het microbioom in kaart te brengen en na te bootsen met lokaal beschikbare micro-organismen – werk dat hij in de toekomst wil oppakken.
Na zijn promotie blijft Ramirez-Villacis werken aan het project voor zijn huidige vakgroep in Utrecht, waar hij zich meer gaat richten op de genetische kant van plant-microbioominteracties. Daarbij werkt hij ook samen met een Nederlands aardappelbedrijf. „In een experiment zagen we dat zuivere aardappellijnen kwetsbaarder zijn voor de negatieve effecten van micro-organismen, terwijl dit effect bij hybride kruisingen juist verdwijnt. Dat gaan we verder onderzoeken.”
Hoewel hij erg dankbaar is voor zijn collega’s en begeleiders in Nederland, zou hij op den duur zijn onderzoek in Ecuador willen voortzetten. „Het land heeft meer dan 400 soorten aardappelen, waarvan veel al eeuwen in heel specifieke regio’s, door specifieke families worden geteeld. Hierdoor hebben ze waarschijnlijk unieke en fascinerende eigenschappen”, zegt hij. „Daarnaast zou ik graag willen werken aan onbekende fruitsoorten in de Andes, zoals de Andeaanse blauwe bosbes en de naranjilla: een familielid van de aubergine en tomaat die naar citrus smaakt. Hoewel ze enorm lekker zijn, worden deze interessante soorten vrijwel niet buiten Zuid-Amerika geteeld. Maar hoe komt dat eigenlijk?”
Op de hoogte van kleine ontdekkingen, wilde theorieën, onverwachte inzichten en alles daar tussenin