At forstå, hvordan bælgplanter samarbejder med bakterier om at fikse kvælstof

Kvælstof er essentielt for plantevækst, men de fleste planter kan ikke udnytte de enorme kvælstofreserver i atmosfæren, fordi det findes i den inaktive form dinitrogen (N₂). Det moderne landbrug er derfor stærkt afhængigt af syntetiske kvælstofgødninger, men af det kvælstof, der tilføres, optager afgrøderne kun en del, mens resten udvaskes og skaber både økonomiske og miljømæssige udfordringer.

Bælgplanter har derimod udviklet et unikt samarbejde med jordbakterier kaldet rhizobia, som omdanner atmosfærisk kvælstof til en form, planterne kan optage, gennem en proces kendt som symbiotisk kvælstoffiksering.

“Naturen har allerede løst udfordringen med kvælstofbegrænsning,” siger Aleksandr Gavrin. “Bælgplanter danner særlige rodknolde, hvor bakterierne lever og fikserer kvælstof for planten. Til gengæld forsyner planten bakterierne med sukker - et smukt balanceret samarbejde, som gavner begge parter.”

Europa-Kommissionen har for nylig fremhævet biobaserede gødningsstoffer og biologisk kvælstoffiksering som centrale strategier i arbejdet mod klimaneutralitet i 2050, hvilket yderligere understreger betydningen af denne forskningsretning.

At finjustere kvælstoffikseringen

Selvom denne symbiose er bemærkelsesværdigt effektiv, er den også nøje reguleret. Planter styrer mængden af kvælstof, der fikseres, alt efter deres behov og omgivelser. Aleksandrs nye projekt undersøger de molekylære mekanismer bag denne regulering.

“Som alle biologiske processer har kvælstoffiksering både positive og negative regulatorer,” forklarer han. “Vi vil forstå, hvordan planten justerer denne rate - og om vi forsigtigt kan modulere den for at øge effektiviteten uden at skade planten.”

Ved hjælp af avancerede molekylære og biokemiske metoder vil Gavrin og hans team undersøge, hvordan cytoplasmatiske signalveje påvirker aktiviteten af kvælstof-fikserende bakterier i rodknoldene. Projektet fokuserer særligt på signaleringskaskader, der menes at fungere som negative regulatorer af symbiotisk kvælstoffiksering.

Ved at identificere og potentielt deaktivere disse regulerende mekanismer vil projektet undersøge, om bælgplanter kan forædles - uden brug af transgene teknikker - til at fikse mere kvælstof. Flere afgrøder som ærter, kikærter, linser og hestebønner har allerede mutageniserede populationer, der kan anvendes i traditionelle forædlingsprogrammer.

Et internationalt samarbejde

Projektet er et tæt samarbejde med Professor Justin Lee og hans forskergruppe i Tyskland.

“Det er min første finansierede samarbejdsbevilling,” siger Gavrin. “Det er et reelt partnerskab, hvor begge grupper er finansieret, og vi arbejder sammen om at identificere nye reguleringsmekanismer i symbiotisk kvælstoffiksering.”

Lee, der arbejder ved Leibniz Institute of Plant Biochemistry i Halle, er en førende ekspert i kinasereguleret cytoplasmatisk signalering, hvilket gør ham til en central partner i udforskningen af nye signalveje i bælgplanter.

Samarbejdet vil ikke kun øge forståelsen af plante-mikrobe-interaktioner, men også bidrage til en mere bæredygtig landbrugsproduktion ved at mindske behovet for miljøbelastende gødningsstoffer.

På vej mod et grønnere landbrug

Ved at afdække, hvordan bælgplanter naturligt styrer optaget af symbiotisk kvælstof, kan forskningen bane vejen for udvikling af afgrøder, der er mere selvforsynende.

“Hvis vi lærer at finjustere kvælstoffikseringen, kan vi måske en dag udvikle bælgplanter, der giver højere udbytte med mindre gødning,” siger Gavrin. “Det er et lille, men vigtigt skridt mod en grønnere, mere bæredygtig fremtid - og måske også en verden, hvor vi spiser lidt flere ærter og bønner og lidt mindre pizza og pasta,” tilføjer han med et smil.

Projektet “Increasing Symbiotic Nitrogen Fixation via Cytoplasmic Signaling Modulation” er finansieret gennem Danmarks Frie Forskningsfonds Green Research-program, som støtter innovative projekter med fokus på bæredygtige løsninger. I alt har Danmarks Frie Forskningsfond tildelt 6,7 mio. kr. til projektet.