Zaadcoatingen

Wat is een zaadcoating? Wat zijn de achterliggende mechanismen? En wat is de potentie voor de regeneratieve landbouw?

Geschreven door

Ties Temmink

op

februari 9, 2024
Gedurende het project ‘Regeneratieve Achterhoek 2025’ zullen wij gebruik maken van enkele methoden die de samenwerking tussen bodemleven en plant verbeteren.Het gebruik van een zaadcoating is één van deze methoden. In dit stuk willen we uitleggen waarom wij potentie zien in het gebruik van zaadcoatingen, relevante achtergrondinformatie rondom de plant-bodem symbiose bespreken en enkele referenties aandragen.

Allereerst, wat is een zaadcoating? Een zaadcoating is een aangebracht laagje op zaden om veelal de grootte en vorm van de zaden te veranderen, maar ook pesticiden, nutriënten of biologie aan te brengen op het zaad. Er zijn dus uiteenlopende beweegredenen om te werken met een zaadcoating. Het toevoegen van pesticiden op het zaad voorkomt ziektes en plagen en zorgt bovendien voor een efficiënt gebruik van gif omdat er maar kleine hoeveelheden nodig zijn voor een zaadcoating. Het toevoegen van nutriënten (eg. stikstof) zou zorgen voor een snellere ontkieming en een betere doorontwikkeling. Wij zien binnen dit project echter vooral potentie in het ondersteunen en stimuleren van de microbiologie en plantenfysiologie door middel van een zorgvuldig gekozen zaadcoating. Een biologische zaadcoating kan enkele fundamentele processen tussen plant en bodem faciliteren, verbeteren of versnellen. Deze keuze baseert zich daarmee op een compleet andere redenering dan het gebruik van gifstoffen op het zaad en zijn ook moeilijk te combineren. Om deze keuze te begrijpen willen we de achtergrond schetsen waartegen we deze keuze maken. Ook willen we enkele veelbelovende resultaten uit diverse onderzoeken en case-studies presenteren.

Het zaadje heeft alles in zich om de eerste stappen te zetten tot volwaardige plant. De ontkieming is daarbij de start van het ontwikkelingsproces na een lange slaapstand. Een goede zaadcoating kan de juiste omstandigheden creëren voor een goede ontkieming van het zaadje, de eerste dagen of weken kunnen een positieve impact hebben op de complete verdere groei van de zaailing tot volwassen plant en reproductiefase.

Gedurende de ontkieming zijn microben essentieel, deze zitten van nature al op en in het zaad. Deze microben maken een heel scala aan signaal- of groeibevorderende stoffen die vervolgens het kiemingsproces triggeren, stimuleren en coördineren, maar ze spelen ook een essentiële rol in allerlei processen gedurende de daaropvolgende ontwikkeling. De onderstaande afbeelding laat een experiment zien waarbij rijstzaden werden gesteriliseerd met behulp van antibiotica, zo werden de natuurlijk aanwezige microben verwijderd (1). Vervolgens werden er selectief microben toegevoegd om hun rol bij ontkieming te testen. Het is duidelijk te zien dat veel van de toegevoegde microben een effect hebben op de ontwikkeling van het wortelsysteem. Het is ook belangrijk om te stellen is dat het in natuurlijke omstandigheden nooit om individuele microben gaat, maar dat deze juist in samenwerking positieve effecten realiseren. Veel van de microben zijn überhaupt niet te kweken onder laboratorium omstandigheden.
Endofyten

De microben die op en in het zaad zitten, worden endofyten genoemd en bevinden zich in de endosfeer. Wat betekenen beide termen? Endofyten zijn microben (voornamelijk schimmels en bacteriën) die zich op, tussen of in plantenmateriaal (endosfeer) bevinden en daarbij geen ziekten veroorzaken. Endofyten worden voornamelijk via het zaad doorgegeven en kunnen worden opgenomen vanuit de omliggende bodem en via de lucht. Een bekend type endofyten zijn de mycorrhizaschimmels, deze schimmels gaan een directe verbinding aan met de plantenwortels en vergroten daarmee het contactoppervlak voor de opname van zowel water als nutriënten. Over het algemeen kunnen endofyten helpen bij het verbeteren van zoals gezegd de opname van nutriënten, ze vergroten de veerkracht van planten tegen ziekten en plagen, sturen de ontwikkeling van de plant en verbeteren de tolerantie tegen stress (2). We beschrijven enkele van deze fenomenen verder in dit stuk. Het is interessant om te zien dat het meeste onderzoek naar endofyten nog geen tien jaar oud is, dit onderzoeksveld is erg nieuw en er bestaan meer vragen dan antwoorden.

Bij deze processen tussen de plant en endofyten gebruiken de laatstgenoemden allerlei signaal- of groeibevorderende stoffen. De microben maken niet alleen stoffen aan waarmee ze met de plant communiceren, maar ook onderling. Deze stoffen worden in het Engels autoinducers genoemd en spelen een essentiële rol bij het fenomeen quorum sensing. Kortgezegd beschrijft quorum sensing het proces waarbij microben door communicatie met behulp van deze autoinducers kunnen opmerken, dat er voldoende microben aanwezig zijn voor het overstijgen van een bepaalde kritische drempelwaarde voor de uiteindelijke uitvoering van specifieke processen. Dit kan daarmee bijvoorbeeld leiden tot het activeren van bepaalde genen. Quorum sensing speelt bijvoorbeeld een belangrijke rol bij de stikstoffixatie door de Rhizobia bacteriën, zie voor de essentiële rol van quorum sensing het volgende verhaal van Christine Jones.

Wanneer we er dus rekening mee houden dat microben vanuit de bodem of de aangebrachte zaadcoating kunnen communiceren met de microben in het zaad, worden de microben en bijbehorende biochemische stoffen van cruciaal belang voor de algehele ontwikkeling van de plant. Er ligt daarmee ook een mogelijke sleutel tot een positieve beïnvloeding van de plant direct bij aanvang van de ontwikkeling. Wanneer er een zaadcoating gebruikt wordt die rijk is aan microben en bijbehorende autoinducers, kunnen daarmee cruciale processen in en rondom de plant worden veroorzaakt, ondersteund of versneld. We zullen enkele van deze processen nader verkennen.

Kiemproces

De essentiële rol van endofyten en de stoffen die zij produceren rondom het kiemingsproces zijn herhaaldelijk in experimenten aangetoond. In het hieronder weergegeven experiment bestudeerde de eerder aangehaalde studiegroep wat deze endofyten voor rol speelden in het kiemingsproces en eerste ontwikkelingsfase (3). De endofyten werden in meer of mindere mate verwijderd van rijstzaden door het steriliseren mbv. een antibioticum. Afbeelding a,b en c laten het effect zien na 24 uur, van het wel of enigszins of grotendeels verwijderen van de endofyten van het zaadje. Afbeelding x,y en z laten dezelfde zaden zien na een periode van 7 dagen.
De jonge wortels van de gesteriliseerde zaden lieten een duidelijk gebrek aan oriëntatie zien. Er werd ook getest wat er zou gebeuren wanneer de zaailingen weer werden geïnoculeerd met enkele van de oorspronkelijk aangetroffen endofyten. Bij deze zaailingen groeit het wortelsysteem vervolgens weer door in de juiste richting. Het precieze achterliggende mechanisme is nog onduidelijk, maar de samenhang met endofyten is zeer voorstelbaar. In hetzelfde experiment werden de jonge zaailingen ook getest op veerkracht tegen een pathogene schimmel, waarbij de zaden met oorspronkelijk aanwezige en later geïnoculeerde endofyten duidelijk veerkrachtiger bleken tegen de geïntroduceerde Fusarium schimmel. De algemene ontwikkeling van de zaailing verliep daarnaast veel beter wanneer er continue endofyten aanwezig waren. De plant ontwikkelde zich ook beter dan de exemplaren zonder endofyten, wanneer deze later weer opnieuw werden toegevoegd. Onderstaande tabel geeft een goede samenvatting van het complete experiment (1).
Verder is het interessant om te zien dat deze ontkiemde zaden met een populatie endofyten meer energie steken in de ontwikkeling van een wortelnetwerk dan ontkiemde zaden zonder endofyten. Deze jonge zaailingen zijn kwetsbaar voor allerlei stress zoals droogte, begrazing of ziektes. Een goede fotosynthese is cruciaal bij de ontwikkeling en benodigde veerkracht. Toch stopt dit ontkiemde zaadje de opgeslagen energie in eerste instantie in de onderdelen van de plant die onttrokken worden van het zonlicht, in plaats van een eerste set bladeren die deze fotosynthese direct kunnen leveren. Deze energie wordt de bodem ingestuurd in de vorm van exudaten dat daar de aanwezige microben voedt. Deze microben zorgen allereerst voor een proces van bodemopbouw (aggregaatvorming), een goed gestructureerde bodem geeft omstandigheden waarin zij optimaal gedijen. Door de verdere uitwisseling met de aanwezige bodembiologie verzekert de plant zich direct vanaf de start van een omgeving, waarin er goede doorlaatbaarheid is van lucht en water, toegang tot nutriënten, bescherming tegen ziektes, buffering van extreme omstandigheden, etc. Over dit proces van bodemopbouw schrijven we mogelijk later nog eens een stuk, maar men kan zich goed voorstellen dat wanneer de opstart van deze samenwerking goed en snel verloopt vanaf de ontkieming, dit de plant een enorme boost in haar verdere ontwikkeling geeft.

Endofyten en nutrientenopname

Bij de ontwikkeling van de plant heeft deze meer elementen nodig dan enkel de koolstof die het zelf uit de fotosynthese haalt en de waterstof die uit het water komt. Er wordt vaak uitgegaan van 17 essentiële elementen, maar dit aantal is over de afgelopen decennia steeds naar boven bijgesteld. De plant kan deze nutriënten niet direct opnemen vanuit de lucht of het water, hiervoor zijn de endofyten ook van essentieel belang. Er wordt een substantieel deel van de fotosynthese via de wortels in de bodem afgegeven in de vorm van exudaten (4), deze stimuleren specifieke microben die grof gezegd de benodigde nutriënten (of andere stoffen) aanleveren. Deze symbiose kan vele vormen aannemen en draait volledig op biochemische communicatie. Eerder noemden we al het proces van stikstoffixatie, dit hangt bijvoorbeeld af van een symbiose met oa. actinorhizal en rhizobial bacterien. Mycorrhizaschimmels en dark septate endophytes (5) verbinden de plant direct met de omliggende bodem, waarbij ze nutriënten aanleveren vanuit een contactoppervlak dat vele malen groter is dan enkele malen het wortelnetwerk van de plant zelf. Een andere hypothese die deze symbiose betreft en wint aan terrein draait om de rhyzophagy cycle, een fascinerend proces dat ook het onderscheid tussen endo- en exosfeer doet vervagen.

De Rhyzophagy cycle is een proces waarbij microben worden opgenomen via de worteluiteinden, in de plant worden ze gestript van hun celmembraan doordat de plant een hoge concentratie superoxide afgeeft. De nutriënten die de microben eerder gemetaboliseerd hebben, worden toegankelijk in het overgebleven cytoplasma van de cel. Sommige microben overleven dit proces en hopen zich op in de hoofdwortel. De aanwezigheid van deze microben in de wortel stimuleert de aanmaak van haarwortels door het afgeven van bepaalde stoffen. Deze microben worden vervolgens weer afgegeven aan de omliggende bodem via diezelfde haarwortels, de cyclus kan zich vervolgens herhalen. Zie het plaatje hieronder voor een visuele uitleg en dit paper voor een complete uitleg. Door de aanmaak van haarwortels middels dit proces zou het volume van het wortelstelsel worden vergroot en daarmee het contactoppervlak voor opname van nutriënten en water. Tevens zorgt dit proces voor het beschikbaar maken van nutriënten die geoxideerd zijn in veel bodems (eg. ijzer en mangaan).
De eerder uitgelichte studie met de rijstzaailingen laat dit verschijnsel ook zien, het onderzoek levert onderstaand microscopisch beeldmateriaal (1). De afbeeldingen a en b zijn de controle zaailingen waarbij de endofyten verwijderd zijn, hier hebben zich nauwelijks haarwortels ontwikkeld. De overige afbeeldingen (c t/m i) laten zaailingen zien die opnieuw geïnoculeerd zijn met verschillende endofyten die op het oorspronkelijke zaad werden aangetroffen. Hier is sprake van een meer of mindere mate van ontwikkeling van de haarwortels, die wederom de cruciale rol van endofyten onderstreept.
Ziekteonderdrukking

Endofyten dragen op verschillende manieren bij aan ziekte onderdrukking. Allereerst is het simpelweg in de vorm van competitie voor ruimte en nutriënten tegenover mogelijk pathogenen. Een minimaal aandeel van de microben in de bodem is overigens inherent pathogeen, het overgrote deel is van een facultatieve aard en wordt beïnvloed door de omstandigheden door het eerder beschreven proces van quorum sensing. Verder kunnen endofyten zorgen voor het activeren van genen die verbonden zijn aan natuurlijke immuunmechanismen (eg. jasmonate pathway en Systemic Aquired Resistance (SAR)), of produceren zelf anti-virus, -schimmel of -bacteriële stoffen (6). Trichoderma schimmels produceren bijvoorbeeld een heel scala aan metabolieten, waaronder bepaalde typen antibiotica (7). Een groeiend aantal studies laten zien dat deze mechanismen direct na ontkieming functioneel zijn, maar ook blijven gedurende de rest van de plant’s levensduur (8).

Abiotische stress

Endofyten spelen ook een rol in het verminderen van abiotische stress. Een studie liet zien dat de vaste plant Crotalaria verhoogde tolerantie liet zien tegen de aanwezigheid van zware metalen door de aanwezigheid van bepaalde endofyten rondom het zaad. Deze positieve eigenschappen werden ook doorgegeven aan volgende generaties (9). Vergelijkbare positieve symbiose wordt getoond bij verzilting (10). Een andere vorm van abiotische stress is natuurlijk droogte. De Piriformospora schimmel zorgt in veel planten voor het activeren van genetisch materiaal dat de veerkracht in droge omstandigheden vergroot (11).

Gedurende de zomer hebben wij een vergelijkbare ervaring gehad. We hebben pompoen en courgette zaden gecoat met compost van goede kwaliteit, we hebben de compost geselecteerd op basis van de diversiteit aan microbiologie. Gedurende de opkomst van de planten konden we geen verschil waarnemen. Na een periode van fikse droogte waarin we geen water gegeven hebben, troffen we het volgende beeld aan.
Geen van de planten stond er erg mooi bij, maar de zaadcoating maakte hier letterlijk het verschil tussen leven of dood. Dit deed onze overtuiging van de kracht van zaadcoatingen ook groeien.

Verlies van endofyten

Veel van de endofyten beschreven in dit stuk zijn mogelijk verdwenen in de gangbare landbouw, gebruik van een overschot aan (kunst)mest en gif (-cides) zorgen voor een ondermijning van deze endofyten en daarbij horende symbiose met de plant. Ter illustratie, onderstaande afbeelding is een stil vanuit een lezing van Christine Jones waarbij ze een veldexperiment met graan en biostimulanten toelicht. Er werd kunstmest ondergewerkt om de stikstofgift gelijk te houden tussen de verschillende plots. Hier is heel duidelijk te zien dat het proces van bodemopbouw plaatsvindt tot een bepaalde diepte, vanaf het moment dat de wortels de laag met kunstmest tegenkomen stopt deze symbiose en daarmee aggregaatvorming.
We weten niet of het gebruik van gangbare praktijken over langere tijd gezorgd heeft voor een definitief verlies van deze endofyten. Wel zijn er enkele studies die dit suggereren. Bij tabaksplanten resulteerde de jaren van gangbare cultivering en het ‘schoonmaken’ van zaad, voor een verlies aan diversiteit van endofyten en verhoogde daarmee ziekten door pathogene schimmels. Het herintroduceren van deze endofyten uit wilde tabakvarianten zorgde wederom voor een verhoogde resistentie. Het verlies van natuurlijke endofyten door aspecten van gangbaar beheer en toenemende ziektedruk, is ook aangetoond voor katoen, maïs en bepaalde grassoorten (12). Het omgekeerde mechanisme is natuurlijk ook mogelijk, het doorgeven van endofyten aan volgende generaties door het eventuele gebruik van endofyten te vinden in wilde varianten. Een ander veelbelovend voorbeeld is het werk van David Johnson met zijn BEAM-methode. Hier resulteert het aanbrengen van een zaadcoating op basis van een zeer diverse en schimmelrijke (Johnson-Su) compost in het kickstarten van de symbiose tussen plant en bodem. Er bestaat echter alleen anekdotisch bewijs en daarmee een duidelijke vraag naar meer onderzoek, data en voorbeelden.

Conclusie

Er is nog veel te onderzoeken en begrijpen over hoe de mechanismen tussen plant en endofyten werken, meer en meer studies laten echter duidelijk zien dat deze microben van cruciaal belang zijn voor allerlei fysiologische processen. Bij het formuleren of ontwikkelen van een zaadcoating is het nog onduidelijk of het de microben zelf zijn of de geproduceerde signaalstoffen die voor de uiteindelijke effecten zorgen. Naast het wetenschappelijk onderzoek zijn er ook tal van praktijkvoorbeelden waarbij het werken met endofyten in de vorm van een zaadcoating resulteert in positieve gevolgen.

Ondanks dat de precieze mechanismen nog niet helemaal duidelijk zijn, willen wij toch werken met een zaadcoating gebaseerd op microbiologie. In navolging van de veelbelovende resultaten uit de enkele hier genoemde studies en case studies, willen wij kijken of we iets vergelijkbaars kunnen realiseren in ons experiment. We gaan ervan uit dat het aanbrengen van een maximale diversiteit aan microben en daarmee signaal- en groeibevorderende stoffen zorgt voor de in dit stuk beschreven voordelen. Wij zullen een zaadcoating maken waarbij we Johnson Su compost combineren met gefermenteerd zeewier. We gaan dit proces vastleggen in een korte handleiding die later vrij verkrijgbaar wordt. We willen voordat we dit op het veld implementeren al wat onderzoek doen middels een potproef.

Als afsluitende woorden willen wij nog maar eens aanduiden dat er in veel onderzoek gekeken wordt naar specifieke eigenschappen van specifieke bacteriën tegen bepaalde ziekten en/of plagen bij planten. Het gaat er echter voornamelijk om dat de complete gemeenschap aanwezig is. De mechanismen tussen endofyten en de plant zijn complex en kunnen vaak niet gerelateerd worden aan individuele typen maar aan de aanwezige gemeenschap (6). Tevens is het belangrijk nog eens goed te realiseren hoe het huidige gebruik van zaadcoating zich vooral richt op het toevoegen van gifstoffen, dit ondermijnt veel van al de hierboven beschreven processen.



Europees Landbouwfonds voor Plattelandsontwikkeling: Europa investeert in zijn platteland




Referenties

1) Verma, S. K., Kingsley, K. L., Bergen, M. S., English, C., Elmore, M. T., Kharwar, R. N., & White, J. F. (2017). Bacterial endophytes from rice cut grass (Leersia oryzoides L.) increase growth, promote root gravitropic response, stimulate root hair formation, and protect rice seedlings from disease. Plant and Soil, 422(1–2), 223–238. https://doi.org/10.1007/s11104-017-3339-1
2) White, J. F., Kingsley, K. L., Zhang, Q., Verma, R., Obi, N., Dvinskikh, S., … Kowalski, K. P. (2019). Review: Endophytic Microbes and Their Potential Applications in Crop Management. Pest Management Science. doi:10.1002/ps.5527
3) Verma, S. K., Kingsley, K. L., Irizarry, I., Bergen, M. S., Kharwar, R. N., & White, J. F. (2017). Seed‐vectored endophytic bacteria modulate development of rice seedlings. Journal of Applied Microbiology, 122(6), 1680–1691. https://doi.org/10.1111/jam.13463
4) Molefe, R. R., Amoo, A. E., & Babalola, O. O. (2023). Communication between plant roots and the soil microbiome; involvement in plant growth and development. Symbiosis, 90(3), 231–239. https://doi.org/10.1007/s13199-023-00941-9
5) Dark septate endophytes (DSE) zijn een veelvoorkomende groep van schimmels die voornamelijk in de wortels van planten leven. Ze worden “dark septate” genoemd vanwege de donkere dwarswanden (septa) in hun hyfen. In tegenstelling tot sommige mycorrhizaschimmels, die symbiotische relaties hebben met planten en voedingsstoffen uit de bodem halen om aan de plant te leveren, is de relatie tussen dark septate endophytes en planten nog niet volledig begrepen. Er wordt echter aangenomen dat DSE een wederzijds voordelige relatie met planten kunnen hebben door de opname van mineralen uit de bodem te verbeteren, weerstand tegen stressfactoren te verhogen en mogelijk bescherming te bieden tegen schadelijke pathogenen.
6) Berendsen, R. L., Pieterse, C. M. J., & Bakker, P. a. H. M. (2012). The rhizosphere microbiome and plant health. Trends in Plant Science, 17(8), 478–486. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2012.04.001
7) Contreras‐Cornejo, H. Á., Macías‐Rodríguez, L., del‐Val, E., & Larsen, J. (2016). Ecological functions ofTrichodermaspp. and their secondary metabolites in the rhizosphere: interactions with plants. FEMS Microbiology Ecology, 92(4), fiw036. https://doi.org/10.1093/femsec/fiw036
8) White, J. F., Kingsley, K. L., Zhang, Q., Verma, R., Obi, N., Dvinskikh, S., … Kowalski, K. P. (2019). Review: Endophytic Microbes and Their Potential Applications in Crop Management. Pest Management Science. doi:10.1002/ps.5527
9) Sánchez-López, A. S., Pintelon, I., Stevens, V., Imperato, V., Timmermans, J., Del Carmen a González-Chávez, M., Carrillo-González, R., Van Hamme, J. D., Vangronsveld, J., & Thijs, S. (2018). Seed Endophyte Microbiome of Crotalaria pumila Unpeeled: Identification of Plant-Beneficial Methylobacteria. International Journal of Molecular Sciences, 19(1), 291. https://doi.org/10.3390/ijms19010291
10) Shahzad, Salman & Yahya Khan, Muhammad & Zahir, Zahir & ASGHAR, HAFIZ & Chaudhry, Usman. (2017). Comparative effectiveness of different carriers to improve the efficacy of bacterial consortium for enhancing wheat production under salt affected field conditions. Pakistan Journal of Botany. 49. 1523-1530.
11) Sun, C., Johnson, J. M., Cai, D., Sherameti, I., Oelmüller, R., & Lou, B. (2010). Piriformospora indica confers drought tolerance in Chinese cabbage leaves by stimulating antioxidant enzymes, the expression of drought-related genes and the plastid-localized CAS protein. Journal of Plant Physiology, 167(12), 1009–1017. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2010.02.013
12) White, J. F., Kingsley, K. L., Zhang, Q., Verma, R., Obi, N., Dvinskikh, S., … Kowalski, K. P. (2019). Review: Endophytic Microbes and Their Potential Applications in Crop Management. Pest Management Science. doi:10.1002/ps.5527