”Vi er et skridt tættere på målet om en mere grøn og mindre klimabelastende fødevareproduktion.” Sådan lyder vurderingen fra Kasper Røjkjær Andersen og Simona Radutoiu, der begge er professorer i molekylærbiologi på Aarhus Universitet.

De to forskere har ledet et nyt studie, der har fundet en vigtig nøgle til at forstå, hvordan vi kan mindske landbrugets behov for kunstgødning.

Planter har brug for kvælstof for at vokse – et næringsstof, de fleste afgrøder kun kan få via gødning. Men ganske få planter, som ærter, kløver og bønner, kan klare sig uden. De lever i symbiose med særlige bakterier, der omdanner kvælstof fra luften til en form, planten kan bruge.

I dag arbejder forskere verden over på at forstå de genetiske og molekylære mekanismer bag, så det en dag kan overføres egenskaben til andre afgrøder som hvede, byg og majs.

Det ville gøre planterne selvforsynende med kvælstof og dermed reducere behovet for kunstgødning, som i dag står for omkring to procent af verdens samlede energiforbrug og udleder store mængder CO₂.

Forskerne fra Aarhus Universitet har nu identificeret præcis, hvilke små ændringer i planternes receptorer der får dem til at skifte fra at aktivere immunforsvar til i stedet at starte symbiose med kvælstoffikserende bakterier.

Et bemærkelsesværdigt og vigtigt fund, pointerer Simona Radutoiu.

Ven eller fjende?

Planter bruger receptorer på overfladen af deres celler til at opfange signaler fra mikroorganismer i jorden. Nogle bakterier signalerer ”fjender”, som planterne forsvarer sig imod, mens andre er ”venner”, der hjælper med at skaffe næring.

Bælgplanter – som ærter, bønner og kløver – inviterer særlige bakterier ind deres rødder. Her kan bakterierne omdanne kvælstof fra luften og give det videre til planten. Det samarbejde kaldes symbiose, og det er grunden til, at bælgplanter kan vokse uden kunstgødning.

I den nye undersøgelse har forskere fra Institut for Molekylærbiologi og Genetik opdaget, at denne evne i høj grad styres af to aminosyrer – altså to små “byggesten” i et protein i planternes rødder.

Dette protein fungerer som en “receptor”, der opfatter signaler fra bakterien og afgør, om planten skal slå alarm (immunforsvar) eller byde bakterierne velkommen (symbiose).

Forskerne fandt et lille område i proteinet, som de har kaldt Symbiosis Determinant 1. Det fungerer som en slags kontakt, der afgør, hvilken besked der bliver sendt videre inde i plantecellen. Ved at ændre blot to aminosyrer i denne kontakt kunne forskerne få en receptor, der normalt udløser immunforsvar, til i stedet at starte symbiose med kvælstoffikserende bakterier. 

"Vi har vist, at to små ændringer kan få planter til at ændre adfærd på et helt afgørende punkt – fra at afvise bakterier til at samarbejde med dem," forklarer Simona Radutoiu.

Mål at overføre til hvede, byg og majs

I det nye studie skete modificeringen i planten Lotus japonicus. Men det samme princip viste sig at gælde bygproteiner. "Det er ret opsigtsvækkende at vi nu kan tage en receptor fra byg og lave de tilsvarende små ændringer i denne og så virker nitrogen fiksering igen", siger Kasper. 

Perspektiverne er derfor store. Hvis den nye viden kan overføres til andre afgrøder, kan det på sigt blive muligt at give kornplanter som hvede, majs eller ris evnen til selv at fiksere kvælstof – præcis som bælgplanter gør i dag.

"Men det er nogle andre, essentielle nøgler, vi først skal ud at finde nu," siger Simona Radutoiu og tilføjer:

”Det er kun meget få afgrøder, der kan lave symbiose i dag. Hvis vi kan udbrede det til afgrøder, vi spiser meget af, kan det virkelig gøre en stor forskel for, hvor meget kvælstof der skal bruges."

Det kan revolutionere landbruget ved at mindske behovet for kunstgødning, reducere CO₂-udledning og gøre fødevareproduktionen mere bæredygtig.

Mange års samarbejde

Gennembruddet er resultatet af mange års samarbejde og målrettet indsats fra et stort forskerhold ved Aarhus Universitet. Hoveddelen af det eksperimentelle arbejde er udført af Magdalini Tsitsikli, Bine Wissendorf Simonsen og Thi Bich Luu, som er studiets tre førsteforfattere.

"Dette projekt viser, hvad der er muligt, når dygtige ph.d.-studerende og postdocs arbejder sammen på tværs af fagområder. Samarbejde er virkelig kernen i videnskabelige fremskridt," siger professor Simona Radutoiu.

Hun understreger, at resultaterne afspejler det stærke forskningsmiljø på Institut for Molekylærbiologi og Genetik, hvor samarbejde på tværs af erfaring og faglighed fortsat driver nye opdagelser frem.

Læs hele artiklen i Nature.