De strijd om stofjes uit plantenwortels

Een wetenschappelijk artikel uit 2018 vatte het verzamelen van wortelexudaten in twee woorden perfect samen: “mission impossible". Zo voelt het op het moment ook een beetje. In dit blog leg ik (Marie Zwetsloot, red.) uit waarom het zo moeilijk is om wortelexudaten te meten, welke methodes er bestaan, en wat voor ons onderzoek de volgende stappen zijn.  

Voordat je het weet, is wat je wil meten opgegeten 

Zoals ik in mijn vorige blog al beschreef, worden wortelexudaten in de bodem uitgescheiden door plantenwortels. Deze chemische stofjes komen op een speciale plek in de bodem terecht: de rhizosfeer. De rhizosfeer is het deel van de bodem dat door plantenwortels beïnvloed wordt en maar een paar millimeters breed is (Figuur 1). Ook al hebben we het dus over een relatief klein volume, de activiteit en dichtheid van het bodemleven is hier enorm hoog in vergelijking met de rest van de bodem. Al die wortelexudaten vormen namelijk een energierijke en makkelijk afbreekbare bron van voedsel voor micro-organismen. Die hoge microbiële activiteit maakt het onderzoek naar de rhizosfeer zo interessant, maar creëert direct ook een groot probleem: voordat je iets hebt kunnen meten, zijn je wortelexudaten al opgegeten!  

Daarnaast vind je in de bodem ook andere chemische stofjes die niet van de plant komen. Zo maken bodemorganismen hun eigen stofjes aan en kan (dood) bodemorganisch materiaal ook oplossen in het bodemwater. Als je de exudaten uit een rhizosfeerbodemmonster extraheert en analyseert, is het vaak onmogelijk om te bepalen waar de stofjes vandaan komen. Nog een probleem om rekening mee te houden.

Figuur 1: Tekening van de rhizosfeer, het deel van de bodem dat direct door plantenwortels wordt beïnvloedt. Bron: Discovermagazine

Elk voordeel heeft zijn nadeel 

Wetenschappers hebben verschillende methodes ontwikkeld om de wortelexudaten te verzamelen. Om te voorkomen dat micro-organismen de wortelexudaten opeten, worden de wortelexudaten soms in een hydroponisch systeem opgevangen (Figuur 2). Dat is een steriele kweek op water. Dan weet je zeker dat er nog wortelexudaten in je monster zitten en dat die stofjes van de plant komen. Het grote nadeel is dat je de planten in een volkomen kunstmatig systeem opkweekt. Welke wortelexudaten worden uitgescheiden door de plant hangt af van de bodemcondities en interacties met micro-organismen. In hoeverre zijn de wortelexudaten die je in een steriel hydroponisch systeem meet representatief voor wat een plant in een bodem zou doen? 

Figuur 2: Steriel hydroponisch system (Kareem et al. 2019)

Een andere aanpak is toch de wortelexudaten uit de rhizosfeer bodem (Figuur 3) te extraheren en deze te analyseren. Een deel van de wortelexudaten zullen al opgegeten zijn en je weet ook niet zeker of alle chemische stofjes die je meet wel echt van de plant komen, maar in ieder geval groeien de plantenwortels in een echte bodem. Als je behandelingen met elkaar vergelijkt, bijvoorbeeld een plant met of zonder compost, maakt het misschien niet uit dat je niet alle wortelexudaten meet en ook wat exudaten van andere bodemorganismen meeneemt. Uiteindelijk ben je geïnteresseerd in de verschillen tussen beide metingen. Verder meten wetenschappers met deze methode ook vaak de exudaten uit een bodemmonster (dus niet de rhizosfeer) en vergelijken dit met het rhizosfeermonster. Dit geeft ook inzicht over welke chemische stofjes waarschijnlijk wortelexudaten zijn en welke niet.

Figuur 3: Een rhizobox, via de voorkant (A) kan je de wortels observeren en via de achterkant (B) kan je het bodemvocht (waar de wortelexudaten inzitten) extraheren. Foto’s gemaakt door Bobby Zetterlind en Natasja Kruizenga.

Hybride meetmethode

De methode die wij waarschijnlijk gaan gebruiken is een compromis tussen de hydroponische en bodem methode, en wordt daarom ook wel de hybride methode (Figuur 4) genoemd. Planten worden opgekweekt in een bodem en overgezet naar een hydroponisch systeem om de wortelexudaten op te vangen. Het voordeel is dat de planten opgroeien in een bodem en dat je vooral de chemische stofjes kan opvangen die de plant uitscheidt. Het grote nadeel is dat verhuizing van een bodem naar een hydroponisch systeem nogal een shock is voor de plant. Het is onvermijdelijk dat wortels tijdens het wassen schade oplopen. Onderzoek laat zien dat dit het wortelexudatenprofiel ook verandert, maar dat dit zich naar een paar dagen weer grotendeels herstelt (Williams et al. 2021).

Figuur 4: Kool- en preiplantjes die van een bodem naar een hydroponisch systeem zijn verplaatst voordat de wortelexudaten verzameld gaan worden. Dit experiment maakt deel uit van het PhD-project van Alejandro Gallo Sandoval (rechts) en MSc-scriptie van Ece Tarhan (links).

En hoe nu verder?

Geen enkele verzamelmethode is perfect. Uiteindelijk hangt het af van je onderzoeksvraag welke methode je kiest. Verder is het belangrijk om toe te geven dat elke methode zijn minpunten heeft. Hier houd je dan rekening mee als je de uiteindelijke resultaten van je proef interpreteert.

Op het moment testen wij de bodem en hybride methode uit om te kijken welke manier van verzamelen het beste werkt voor onze vervolgproeven. Naast het verzamelen, kan het analyseren van de wortelexudaten ook ingewikkeld zijn. Voor een microbe is de hoeveelheid wortelexudaten in de rhizosfeer heel hoog, maar voor onze meetapparatuur zijn het hele lage concentraties. Dit betekent dat je de wortelexudatenmonsters moet concentreren. Helaas worden ze daardoor ook extra kwetsbaar voor contaminatie. Zo kunnen er bijvoorbeeld al stofjes in je “schone” reageerbuisje zitten of in de filter waarmee je je monster steriliseert. Al deze stappen moeten gecheckt worden. Dat kost veel tijd, maar is echt nodig. Anders kan je je uiteindelijke onderzoeksresultaten niet vertrouwen. Mission Impossible is begonnen!