Bakterier i jorda kan sluke lystgass

Belgvekster som erter, bønner og linser er viktige proteinkilder både i mat og dyrefôr, og produksjonen forventes å øke i takt med økende behov og en voksende befolkning. Det er kanskje mindre godt kjent at peanøtt er en av de viktigste belgvekstene globalt sett, med Kina som største produsent.  

Siste steget i prosessen mangler

Som de fleste andre belgvekster lever peanøttplanten i en tett og spesialisert symbiose med en type bakterier, kalt rhizobier, som kan binde (fiksere) nitrogen fra luften, og som plantene bruker for å lage proteiner.

De nitrogenfikserende bakteriene lever i rotknoller på plantene, men kan også leve fritt i jorden. For å oppnå best mulig nitrogenfiksering må ofte frøene podes med den rette typen av rhizobier.

Peanøttplanten lever i symbiose med bakterier av slekten Bradyrhizobium. De fleste bradyrhizobier kan veksle mellom å leve av oksygen og å leve av ulike nitrogenoksyder hvis det er lite oksygen i omgivelsene. Dette kalles denitrifikasjon, og antas å være viktig for bakterienes overlevelse i jord.

Ved fullstendig denitrifikasjon bruker bakteriene nitrat og lager ufarlig nitrogengass, men i mange tilfeller mangler det siste steget i denne prosessen, slik at bakteriene i stedet slipper ut lystgass. Dette er en av de tre viktigste klimagassene, i tillegg til CO2 og metan.

Bakteriene foretrekker lystgass 

I sitt doktorgradsarbeid beskriver Yuan Gao i to artikler sine undersøkelser av denitrifikasjon i bradyrhizobier da de lever under optimale respektive suboptimale forhold.

Hun har funnet ut at litt mindre enn halvparten av de undersøkte Bradyrhizobium-stammene kunne redusere lystgass videre til nitrogengass.

Hun har også vist at de som kan gjøre det foretrekker lystgass fremfor andre nitrogenoksyder, og avdekket at mekanismen bak dette dreier seg om konkurranse mellom elektrontransportveier i bakteriene, hvor veien til lystgassreduksjon vinner.  

Dette er viktig siden slike bakterier vil fungere som sterke sluk for lystgass og det bør derfor være et mål at bakterier som velges som podemateriale skal være både effektive nitrogenfikserere og lystgassbrukere. Dette forutsetter at konkurransen mellom elektrontransportveier i disse bakteriene ikke forandres når de møter forholdene i naturen, hvor bakterier sulter det meste av tiden.

I et annet arbeid utviklet Yuan Gao en metode for å teste hvordan denitrifikasjonen og derved lystgassreduksjonen fungerte da disse bakteriene utsattes for mangel på «mat».

Den allmenne oppfatningen er at denitrifiserende bakterier vil nedprioritere lystgassbruk når de sulter, men dette er basert på et begrenset antall studier. Her viste Yuan Gao at bradyrhizobier i stedet beholder sin preferanse for lystgass da de møter manglende substrattilgang.

Ved hjelp av proteinanalyser kunne hun også vise at det ikke berodde på manglende evne til å danne enzymer for å bruke andre nitrogenoksyder, men at bruk av lystgass vinner også under sult.  

Flaskehals i utviklingen av kommersielle podematerialer 

Avhandlingen inneholder også en studie hvor en metode ble testet for å spore om den bradyrhizobium-stammen som er blitt brukt som podemateriale faktisk er den som har infisert plantene og dannet knoller, og altså har klart dette i konkurranse med andre rhizobier i jorden. 

Dette er et viktig aspekt i utviklingen av kommersielle podematerialer, og noe som har vært en flaskehals lenge siden man tidligere har måttet basere seg på å bruke bakteriestammer som har blitt genetisk modifisert for å kunne spores.

Her ble i stedet et av genene (rpoB-genet) i bakterienes eget DNA brukt som markør, siden det genet har vist seg å inneholde sekvenser som gjør at man kan særskille nært beslektede stammer av disse bakteriene.

Metoden ble først testet i laboratorieskala hvor den viste seg å fungere godt for å sammenligne konkurranseevnene til to ulike stammer.  

Viktigere er at metoden også gav gode resultater i full-skala feltforsøk, hvor et par av stammene viste seg å konkurrere veldig godt med stedegne bradyrhizobier, mens i andre fall vant stedegne stammer overlegent.

Resultatene trenger mer verifikasjon, men gir en indikasjon på at metoden kan bli et viktig hjelpemiddel for utvikling av kommersielt podemateriale.