I takt med stigende tørkeproblemer på grund af klimaforandringer undersøger forskere brugen af bakterier til at styrke planters tørkeresistens. Bakterierne producerer enzymer, der nedbryder stresshormoner og hjælper planter med at udvikle dybere rødder. Målet er at udvikle naturlig biogødning – mikroorganismer, der kan forbedre planters vækst under tørkeforhold, så man kan revolutionere fremtidens landbrugsmetoder i en verden, der kæmper med effekterne af klimaforandringer.
I takt med klimaforandringerne bliver tørke et stadig større problem for landbruget. Ændrede nedbørsmønstre og øget fordampning fører til reduceret jordfugtighed og påvirker negativt afgrøders vækst og udbytte, hvilket igen truer den globale fødevaresikkerhed og dermed kan skabe sult i dele af verden. Planteforskere og -forædlere arbejder på at fremavle nye varianter af afgrøder, som er mere tørkeresistente, og mikrobiologer undersøger, om bakterier kan hjælpe planter med at håndtere tørke.
"Vi har undersøgt nogle bakterier, der stammer fra arktiske græsarter i Canada. De producerer enzymer, der kan styrke planternes modstandsdygtighed mod tørke, der allerede er et kæmpe problem i det globale syd og formentlig i fremtiden også vil blive det i andre dele af verden. Hvis det lykkes os at forstå, hvordan de canadiske bakterier kan gøre planter tørketolerante, kan vi udvikle nye plante-associerede bakterier, der kan afbøde nogle af konsekvenserne," fortæller én af hovedforfatterne bag studiet, professor Peter Stougaard fra Institut for Miljøvidenskab på Aarhus Universitet.
Sparsomme vandressourcer i jorden
Normale, ikke-stressede rødder på planter og afgrøder er i balance – blandt andet mellem væksthormonet IAA – eller indol-3-eddikesyre – og stresshormonet ethylen. Mens IAA fremmer vækst, regulerer ethylen modning og aldring. Ved stress, som tørke eller varme, øges ethylenproduktionen, hvilket kan hæmme IAAs vækstfremmende effekter.
"Hvis der nu er en kortvarig, forbigående stresssituation, ja, så er det egentlig meget smart, at planter producerer ethylen og ligesom prøver at lægge lidt låg på metabolismen og så håbe på, at det er noget, der går over, og så kan man køre videre. Problemet er bare, hvis det bliver for langvarigt, for så hæmmes væksten, og så falder udbytterne markant."
Tidligere forskning har vist, at man kunstigt kan hjælpe mod de væksthæmmende effekter. Fx ved at øge mængden af plantehormonet auxin, der fremmer rodvækst, så de sparsomme vandressourcer længere nede i jorden kan nås. Derudover kan cytokininer forsinke bladenes aldring og fremme yderligere skudvækst, selv under stressforhold som varme og tørke.
"Det viser sig, at enzymet ACC deaminase kan beskytte plantevæksten mod tørke, fordi det nedbryder ACC, der er en forløber til stresshormonet ethylen. Udover at planten måske er mindre stresset, så laver den også dybere rødder, så der opnås to ting: mindre stress og øget vandoptagelse. Desuden kan ACC deaminase også kortvarigt styrke plantens modstandskraft mod iltfattige forhold."
Græsarter på Ellesmere Island
Da planter ikke naturligt producerer enzymet ACC deaminase, er de nødt til at få hjælp af bakterier, og det er her, de arktiske bakterier kommer ind i billedet.
"Vi vidste, at bakterieisolatet kunne lave cytokinin. Men ved hjælp af nogle bioinformatiske redskaber sammenlignede vi gensekvenser fra den canadiske bakterie med andre, og så fandt vi ud af, at den havde nogle gensekvenser, der lignede dem, man kender fra andre ACC deaminaser, og derfor antog vi, at bakterien formodentlig kunne det samme, som var rapporteret fra andre bakterier."
Canadiske forskere rapporterede allerede for 12 år siden om bakterier, herunder den cytokinin- og ACC deaminase–producerende bakterie, i jorden omkring rødderne – rhizosfæren – på nogle græsarter på Ellesmere Island i Canada. Her er det muligt, at de spiller en rolle i næringsstofudvekslingen – og dermed i samspillet mellem planter og jord. Forskerne døbte den interessante cytokinin- og ACC deaminase-producerende bakterie for Pseudomonas fluorescens. Imidlertid var denne navngivning ikke korrekt, så bakterien måtte omdøbes.
"Vi fandt ud af, at den egentlig var blevet beskrevet som en forkert art. Så nørdede vi lidt rundt i det, fordi i vores verden er det jo vigtigt, at man navngiver tingene korrekt. Ellers kommer der rod i publikationer og taksonomiske beskrivelser. Derfor fik vi navngivet bakterien som en selvstændig ny art, Pseudomonas hormoni G20-18T."
Et hav af hormoner
Det viste sig, at P. hormoni G20-18T kunne "tale" med omgivelserne, herunder med planterødder. Hvis rødderne har bakterien på eller i sig, er de beskyttede. Hvis rødderne udsættes for stress, vil bakterierne nedbryde ACC, som er forstadiet til ethylen-stresshormonet, og dermed vil der ikke blive produceret for meget stress-ethylen. Balancen mellem ethylen og IAA opretholdes.
"Derudover vil bakterierne få rodcellerne til at dele sig mere, og derved vil planten få dybere rødder, så den bedre kan nå vandet. Udover at planternes IAA påvirkede dannelse af ACC deaminase, fandt vi ud af, at andre metabolitter som f.eks. aminosyrer påvirkede ACC deaminase-produktionen. Så bakterierne og planterne 'talte' sammen ved hjælp af kemiske molekyler."
Navnet P. hormoni fik bakterien, fordi den udover ACC deaminase producerer flere hormoner, som planter også naturligt producerer, f.eks. cytokininerne isopentenyl adenosin, trans-zeatin ribose, dihydrozeatin ribosid og IAA. P. hormoni er således et eksempel på bakterier, som ser ud til at kunne hjælpe planter med at imødegå de stresssituationer, som fremtidige klimaændringer vil skabe.
"Tørke, oversvømmelser, lav ilt i jorden og højere temperaturer vil i stigende grad stresse afgrøder i fremtiden. Vi håber, at vi ved at studere bakterien P. hormoni og andre af disse plantegrowth-promoting bacteria kan bidrage med ny viden, som kan bruges til at udvikle nye miljøvenlige og naturlige bioinokulanter til landbruget. Altså naturlige og gavnlige mikroorganismer, der kan forbedre planters vækst og sundhed."
Under hvilke omstændigheder?
Ifølge forskerne er resultaterne særdeles lovende. Når der alligevel kan være et stykke vej, før tørkeramt jord kan "gødes" med de klimavenlige bakterier, skyldes det flere forskellige små benspænd.
"Én af udfordringerne er, at P. hormoni G20-18T er en gram-negativ bakterie: det vil sige, at den ikke danner sporer. Det havde været noget nemmere, hvis den dannede sporer, som f.eks. Bacillus-bakterier. Så kunne man bedre blande bakterierne med frøene, og desuden ville sporene selv være mere tørkeresistente. Imidlertid er vores bakterie en endofytisk bakterie. Den kan leve inde i planterne uden at skade dem. Men det betyder jo, at hvis først bakterien kommer ind i planten, jamen så er den jo sådan set beskyttet - så det er det gode ved det."
Ligeså væsentligt er det naturligvis at finde ud af, om og hvordan bakteriernes magiske enzymer fungerer ligeså godt for varme hvedeplanter på vores breddegrader, som de gør i arktiske græsser.
"Men hvordan kan bakterien producere hormoner, og under hvilke omstændigheder? Fordi det nytter jo ikke noget, at man vil bruge sådan en bakterie under tørkeresistens, hvis nu bakterien faktisk ikke syntetiserer de pågældende enzymer. Derfor er det vigtigt, at man kender baggrunden for det hele. Så vi arbejder intenst i øjeblikket med at undersøge de hormonproducerende bakterier og hvede dyrket under forskellige tørkeforhold."
