Microbiologie in hapklare porties
Hoe woestijnschimmels kunnen helpen bij de teelt van salades voor astronauten
Wat is er nodig voor mensen om verder te gaan naar wat Star Trek zo beroemd heeft uitgeroepen tot de “laatste grens”?
Daar zijn misschien wel net zoveel antwoorden (en vervolgvragen) op als er sterren in de Melkweg zijn (~100-400 miljard) of misschien wel bacteriële cellen in het menselijk lichaam (~38 biljoen). Ervan uitgaande dat raketwetenschappers weten hoe ze mensen veilig van punt A (Aarde) naar punt B (waar dan ook) kunnen brengen, rijst de even cruciale vraag hoe ze astronauten onderweg in leven kunnen houden. Astronauten moeten eten, en de vraag wat ze zullen eten is voor veel wetenschappers een allesomvattende vraag.
Ruimtevaartvoeding: een korte inleiding
Het gebied van ruimtevaartvoeding heeft een lange weg afgelegd sinds John Glenn in 1962 appelsap en suikertabletten at. We weten nu veel over de invloed van de microzwaartekrachtomgeving in de ruimte op het menselijk lichaam – bijvoorbeeld bot- en spierverzwakking en veranderde minerale samenstelling, verschuivingen in de hormoonhuishouding en een veranderde ijzer- en calciumstofwisseling. We begrijpen nu ook dat cellulaire processen worden beïnvloed door microzwaartekracht en ruimtestraling, waardoor zeer reactieve moleculen genaamd “reactieve zuurstofsoorten” (ROS) zich kunnen ophopen en tot “oxidatieve stress” kunnen leiden, waardoor astronauten na verloop van tijd het risico lopen op chronische ontstekingen, kanker en degeneratieve ziekten.
Onderzoek naar ruimtevoeding en -landbouw is gericht op de ontwikkeling van voedingsmiddelen voor langdurige ruimtevluchten die de effecten van de ruimte op het lichaam verminderen en tegelijkertijd voorzien in de energie-, voedings- en psychologische behoeften van astronauten. De bekende positieve psychosociale invloed van het eten en verbouwen van voedsel met een gevarieerde smaak en textuur staat al lange tijd centraal in ruimtevoedingsonderzoek. De ontwikkeling van voedzame gewassen die kunnen gedijen in een ruwe omgeving van een ruimteschip is een voortdurende prioriteit voor wetenschappers die hun ogen gericht houden op de sterrenhemel – en om dat doel te bereiken richten sommigen van hen hun ogen op de grond.
Wat kan ons in vredesnaam helpen om van deze wereld af te komen?
De Atacama-woestijn van Chilé (afbeelding 1) is de droogste, meest UV-bestraalde plek op aarde en daarom wordt de regio beschouwd als een analoog ecosysteem van Mars. Darwin zelf noemde het “een barrière die veel erger is dan de turbulente oceaan” (1), en de beroemde geograaf Preston James merkte in 1927 op dat “het meest opvallende feit” over de woestijn “de schaarste aan vegetatie en de volledige afwezigheid ervan over grote gebieden” was. Wetenschappers die geïnteresseerd zijn in landbouw vanuit de ruimte redeneren dat als ze kunnen achterhalen hoe sommige planten overleven in extreme omgevingen op aarde, dat ze dan kunnen bepalen hoe ze het beste planten kunnen kweken die goed gedijen in de ruimte. Dus – wat groeit er in de Atacamawoestijn en wat draagt bij aan deze overleving?
Planten gedijen goed door samen te werken met het omringende ecosysteem. Endofyten zijn microbiële organismen – bacteriën of schimmels – die in planten leven zonder ziektes of schade te veroorzaken en die vaak de biomassa van de gastheer, de opname van voedingsstoffen en de weerstand tegen stressfactoren verhogen. In een recent onderzoeksrapport, gepubliceerd in Frontiers in Plant Science, identificeerden Molina-Montenegro et al. endofyten die schimmels bevatten in de wortelsystemen van graspluimen in de Atacama-woestijn en bestudeerden vervolgens hoe inoculatie met deze endofyten de overleving en voedingskwaliteit van drie geselecteerde gewassen zou beïnvloeden, gekweekt onder gesimuleerde exoplanetaire omstandigheden.
Isolatie van endofyten en voorbereiding van het experiment:
Eerst waagden onderzoekers zich in de meedogenloze woestijn en verzamelden vijftig plukjes van het woestijngras Distichlis spicata, plus hun wortelstelsels. Deze soort werd geselecteerd omdat ze kan overleven terwijl ze tegelijkertijd wordt blootgesteld aan verschillende omgevingsstressoren. Terug in het laboratorium werden de wortels geïsoleerd en gefragmenteerd. De wortelfragmenten werden vervolgens op petrischalen geplaatst met een bedje van aardappeldextrose agar – een medium dat gemaakt is om de groei van schimmels te ondersteunen – dat het antibioticum chlooramfenicol bevatte om bacteriële groei te voorkomen, waardoor onderzoekers selectief schimmels uit de wortelfragmenten konden isoleren. Na maximaal 30 dagen konden kleine schimmelkolonies op de petrischaaltjes – elk representatief voor een andere schimmelsoort of -stam – geïsoleerd worden voor verder onderzoek.
Om de schimmelkolonies te identificeren, amplificeerden de auteurs hun DNA, isoleerden vervolgens hun sequenties en vergeleken deze met DNA-sequenties van bekende schimmelsoorten in een wereldwijde database. Twee soorten domineerden: Penicillium fuscuglaucum en Penicillium glabrum, die respectievelijk 63% en 26% frequent voorkwamen. Gelijke concentraties van P. fuscuglaucum en P. glabrum sporen in water werden gebruikt om de “endofyt-positieve” of E+ inoculumbehandeling te creëren voor gewassen in latere experimenten.
Sla (Lactuca sativa), spinazie (Spinacia oleracea) en snijbiet (Beta vulgaris, var cicla) werden uit zaad gekweekt in een mengsel van inheemse grond, zand en turf. Belangrijk is dat het mengsel werd geautoclaveerd (ontsmet met oververhitte stoom) voordat de zaailingen werden geplant, wat ervoor zorgde dat de enige micro-organismen die tijdens de experimenten met de zaailingen konden groeien, de micro-organismen waren die de onderzoekers opzettelijk in het endofyteninoculum hadden gestopt.
Experimentele opzet en resultaten:
Van het telen van gewassen in polycultuur is al lang aangetoond dat het de opbrengst, voedingswaarde en stabiliteit van gewassen kan verbeteren en het wordt met name al eeuwenlang gebruikt door inheemse volken in Amerika en wereldwijd. Onderzoekers stelden vast dat de effecten van het combineren van polycultuur met hulpmiddelen zoals endofytensupplementen zelden waren onderzocht in de context van ruimteteelt, en namen polycultuur op als variabele in hun experimenten.
Exoplanetaire omstandigheden in de groeikamers betekenden een combinatie van koude temperaturen (2 C), hoge UV-straling, lage beschikbaarheid van water en een zuurstofarme atmosfeer. Zaailingen van sla, spinazie en snijbiet werden gekweekt in monocultuur (alleen), duocultuur (samen met zaailingen van een van de andere slasoorten) of polycultuur (samen met beide andere plantensoorten) met het endofyt-inoculum of een controle met alleen water. Na 30 dagen maten de onderzoekers de biomassa, het gehalte aan voedingsstoffen en vitaminen en de productie van antioxidanten.
Voor alle gewassen hadden E+ planten gekweekt in een dubbele cultuur significant hogere overlevingspercentages dan E-planten (+ water controle), en voor sla en snijbiet overleefden alle E+ planten meer dan hun E- tegenhangers, ongeacht het kweektype. Voor alle drie de gewassen verhoogde de endofytenbehandeling de biomassa significant, waarbij de endofytenbehandeling in combinatie met polycultuur het grootste biomassavoordeel opleverde. Over het algemeen hadden de E+ planten meer voedingsstoffen in vergelijking met E-planten: E+ monsters van alle soorten hadden meer vitamine C, proteïnen, fosfor, magnesium en ijzer vergeleken met E-planten. De totale niveaus van antioxidantverbindingen van E+ en E- sla, spinazie en snijbietmonocultuurmonsters werden ook gemeten en bleken hoger te zijn in alle planten met endofyten.
Tot slot:
Welke gewassen zullen de lunchtrommels van astronauten vullen? Welke gewassen zullen worden gekweekt op de eerste boerderij van de kolonie op Mars? Hoewel verschillende andere onderzoeken eerder hebben aangetoond dat endofyten verschillende vormen van stressbestendigheid bieden aan hun gastheerplanten, is dit de eerste studie die onderzoekt hoe endofyten, die zijn aangepast aan extreme omgevingen, voordelen kunnen bieden aan planten onder een gecombineerde set van “exoplaneetachtige” omstandigheden. Toekomstig innovatief onderzoek zoals dit, waarbij onderzocht wordt hoe gewassen gekweekt kunnen worden die klaar zijn voor de ruimtevaart en die de ruimtevaarders van morgen kunnen onderhouden, zal een essentiële opstap zijn voor de mensheid op weg naar de hemel.
Link to the original post: Molina-Montenegro, M. A., Escobedo, V. M., & Atala, C. (2023). Inoculation with extreme endophytes improves performance and nutritional quality in crop species grown under exoplanetary conditions. Frontiers in Plant Science, 14.
Additional references:
- Darwin, C. (1845). The Voyage of the Beage. Excerpts from Charles Darwin, Journal of Researches into the Natural History and Geology of the Countries Visited during the Voyage of the HMS Beagle Round the World: Under the Command of Capt. Patagonia: Fitz Roy.
Featured image: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atacama_Desert_%2813340986003%29.jpg
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 
