Growth promotion of tomato plants through bacteria derived from spent substrate of edible mushrooms

Tomaten zijn een van de meest wijdverbreide groenten op de planeet, die miljoenen mensen voeden en de ruggengraat vormen van talloze diëten. Om de wereldhonger bij te benen, moeten boeren constant manieren vinden om meer voedsel te verbouwen zonder de grond te schaden. Decennialang was de standaardoplossing chemische meststoffen, maar deze kunnen in het grondwater lekken en de bodemgezondheid in de loop van de tijd beschadigen. De natuur biedt echter een stiller alternatief: minuscule bacteriën die in de bodem leven en planten helpen groeien. Deze microscopische helpers, vaak plantengroei-bevorderende bacteriën genoemd, zitten niet alleen maar stil; ze produceren natuurlijke verbindingen die voedingsstoffen vrijmaken, schadelijke microben bestrijden en zelfs de eigen groeihormonen van de plant stimuleren. De uitdaging voor wetenschappers is het vinden van de juiste stammen van deze bacteriën en het uitzoeken van de beste manier om ze aan gewassen toe te dienen.

Een team onderzoekers in Brazilië richtte zich op een onwaarschijnlijke bron om deze helpers te vinden: het restmateriaal van paddenstoelenfarms. Wanneer eetbare paddenstoelen worden geoogst, blijft er een gebruikt substraat achter—een mengsel van vliezen, zaden, hout en andere landbouwbijproducten die al gedeeltelijk zijn afgebroken door de schimmels. Dit rijke, organische afval zit vol met microbieel leven. De onderzoekers verzamelden twintig verschillende bacteriestammen uit dit gebruikte paddenstoelsubstraat en onderwierpen deze aan een reeks tests om te zien welke ervan het meest in staat waren om een tomatenplant te helpen. Ze zochten naar specifieke biologische activiteiten, zoals het vermogen om enzymen te produceren die taaiere plantvezels afbreken, stoffen die ijzer uit de bodem grijpen, en natuurlijke groeihormonen die de wortels stimuleren om uit te breiden.

Het screeningsproces onthulde dat elke geteste bacteriestam wel een nuttig vermogen had, maar drie vielen op als bijzonder veelbelovend. Eén stam, genaamd BUD 5, was een krachtpatser die een groeihormoon genaamd indol-3-azijnzuur produceerde, samen met enzymen die cellulose afbreken en verbindingen die ijzer vastleggen. Een andere, BUD 7, produceerde ook het groeihormoon en enzymen die cellulose afbreken. Een derde, BUD 19, was een sterke producent van ijzergrijpende verbindingen en produceerde ook cellulose-afbrekende enzymen. Om te zien of deze bacteriën daadwerkelijk een verschil konden maken in een levende plant, verplaatste het team hun werk van de laboratoriumtafel naar een kas. Ze kweekten tomatenplanten in potten en brachten de bacteriën op drie verschillende manieren toe: het weken van de zaden voor het planten, het besproeien van de bladeren, of beide. Ze monitorden de planten over twee groeiseizoenen, waarbij ze alles maten, van de hoogte waarop ze groeiden tot de grootte en het gewicht van hun wortelstelsels.

De resultaten toonden aan dat de bacteriën de tomaten inderdaad hielpen, hoewel de effecten varieerden afhankelijk van het jaar en hoe de bacteriën werden toegepast. In het eerste jaar leverde de combinatie van het behandelen van de zaden en het besproeien van de bladeren met de BUD 5-stam de meest dramatische resultaten op. Deze planten ontwikkelden wortelstelsels die bijna veertig procent groter waren in volume dan de onbehandelde controlegroep. De bladeren van de met BUD 5 behandelde planten vertoonden ook een significante toename in vers gewicht, waarbij ze bijna vijfenveertig procent zwaarder groeiden dan de controlegroep. De bacteriën leken te werken door de planten aan te moedigen meer wortelmassa op te bouwen, wat op zijn beurt weer zorgde voor het opnemen van meer water en voedingsstoffen uit de bodem, wat de groei van de bladeren en stengels boven de grond aanjoeg.

Het tweede jaar van het experiment bevestigde dat deze bacteriën betrouwbaar waren, zelfs als de specifieke winnaars licht veranderden. Terwijl de controleplanten net zo hoog groeiden als de behandelde planten wat betreft hoogte, ontwikkelden de met bacteriën behandelde planten vaak robuustere wortelstelsels en accumuleerden ze meer droge stof in hun wortels en scheuten. Zo leidde het behandelen van zaden met de BUD 7-stam tot een wortelstelsel dat meer dan twintig procent groter was dan de controle. De onderzoekers maten ook hoe efficiënt de planten licht gebruikten voor fotosynthese, het proces waarbij planten zonlicht omzetten in energie. De met bacteriën behandelde planten behielden gezonde fotosynthetische machinerie, waarbij sommige behandelingen een duidelijke toename lieten zien in de efficiëntie van de elektronentransportketen, een cruciale stap in het omzetten van lichtenergie in chemische energie. Dit suggereert dat de bacteriën de planten hielpen het zonlicht effectiever te gebruiken, waardoor de extra energie werd geleverd die nodig is om de grotere groei van wortels en scheuten te ondersteunen.

Wat deze ontdekking bijzonder interessant maakt, is de bron van de bacteriën. Door het gebruikte substraat van de paddenstoelenkweek te gebruiken, maakten de onderzoekers gebruik van een reservoir van micro-organismen die al aangepast zijn aan het afbreken van complexe organische materie. Deze bacteriën zijn van nature uitgerust met de instrumenten om taaie plantvezels af te breken en voedingsstoffen te recyclen, eigenschappen die bewezen nuttig waren wanneer ze werden overgedragen op tomatenplanten. De studie toont aan dat deze afvalproducten van paddenstoelenfarms niet alleen afval zijn om weg te gooien, maar een waardevolle bron voor het vinden van nieuwe biologische hulpmiddelen voor de landbouw. De drie geselecteerde stammen, BUD 5, BUD 7 en BUD 19, lieten zien dat ze consistent groei konden bevorderen, de wortelontwikkeling konden verbeteren en het vermogen van de plant om energie uit de zon te vangen, konden versterken.

De studie vond niet dat de bacteriën elke keer op dezelfde manier werkten; de resultaten verschoven tussen de twee jaren, waarschijnlijk door natuurlijke variaties in de omgevingsomstandigheden. De consistente trend was echter dat de bacteriën de planten hielpen om krachtiger te groeien, met name in hun wortelstelsels. Dit is een cruciaal bevinding omdat een sterker wortelstelsel betekent dat een plant beter in staat is om met stress om te gaan en voedingsstoffen op te nemen. De onderzoekers concludeerden dat deze bacteriële isolaten echt potentieel hebben om te worden ontwikkeld tot bio-inputs, wat een duurzame manier biedt om de tomatenproductie te stimuleren zonder afhankelijk te zijn van chemische meststoffen. Het werk benadrukt een simpel maar krachtig idee: door te kijken naar het afval van één landbouwkundig proces, kunnen we de sleutels vinden om een ander te verbeteren.