Landbruget er under stort pres for at kunne brødføde en stadigt voksende verdensbefolkning. Allerede i 1990 var klodens samlede dyrkbare areal fuldt udnyttet, hvilket medfører, at vi er nødt til at øge afgrødeudbyttet på de eksisterende landbrugsarealer for at kunne opfylde FN’s 2. verdensmål om at stoppe sult. Verdensmålet indeholder yderligere mål om at fremme bæredygtigt landbrug, hvilket inkluderer et stigende pres for at reducere forbruget af gødning, pesticider og vand i landbruget.

Som det blev beskrevet i Aktuel Naturvidenskab nr. 4/2020 er et af flere bæredygtige alternativer, der i disse år udforskes, brugen af afgrøder, der er i stand til at sætte rødder ned under 1-2 m, som er den dybde de mest almindelige nuværende kornafgrøder sætter rødder ned til. Planter med dybe rødder kan nå længere ned efter vand og næringsstoffer og derved udnytte ressourcer fra et væsentligt større jordvolumen og derved blive mindre udsatte under tørke og næringsstofmangel.

Planters samspil med mikroorganismer

Fra studier af afgrøder såsom byg og hvede ved man, at der er et tæt samspil mellem planter og mikroorganismer, og at dette samspil er vigtigt for at opnå optimal sundhed og vækst af afgrøderne. Mikroorganismer vokser både på plantens grønne dele (kaldet fylosfære), inde i planten (endosfære) samt omkring rødderne (rhizosfære). Det tætte samspil mellem planten og de associerede mikroorganismer har ført til, at man er begyndt at se planten og de tilhørende mikroorganismer som én samlet organisme, der skal optimeres for at opnå maksimalt udbytte.

Den største mængde af plante-associerede mikroorganismer findes omkring rødderne. Det skyldes, at planter udskiller kulstof via rødderne til den omgivende jord, hvilket gør rodzonen til et hotspot for interaktionerne mellem planter og mikroorganismer. Kulstoffet udskilles i form af sukkerstoffer, aminosyrer, fedtsyrer og mange andre mindre molekyler, heriblandt antimikrobielle stoffer. Sammensætningen af kulstoffet ændrer sig med plantens alder, fysiologisk tilstand samt miljømæssige forhold.

Plante-associerede mikroorganismer er blevet studeret gennem de seneste hundrede år, men fokus har hovedsageligt været på specifikke mikroorganismer og deres en-til-en interaktion med planten. Der har naturligt været stor fokus på sygdomsfremkaldende mikroorganismer, men også organismer med gavnlige funktioner, der naturligt lever i rodzonen er blevet grundigt studeret. Ud over at hjælpe planten med at optage næringsstoffer fra jorden, kan de gavnlige mikroorganismer producere plantehormonlignende stoffer, som påvirker plantens vækst positivt, de kan hjælpe planten under tørke, eller de kan beskytte planten direkte eller indirekte mod sygdomsfremkaldende organismer.

Samspil må studeres i naturlige systemer

Gennem det seneste årti er vi blevet i stand til at studere den bredere sammensætning af de mikro­bielle samfund i rodzonen ved hjælp af teknikker, som på baggrund af DNA-sekvenser udvundet fra en prøve kan sige noget om, hvilke organismer der findes i prøven.

Studier har vist, at de mikrobielle samfund er yderst dynamiske og blandt andet påvirkes af ændringer i det kulstof, som udskilles fra plantens rødder. Brugen af mole­kylære metoder har yderligere vist, at den mikrobielle diversitet omkring rødderne er kraftigt reduceret i forhold til den diversitet, man finder ude i den omgivende jord, samt at specifikke grupper af mikroorganismer ofte er overrepræsenterede i rodzonen. Hvilke organismer, der koloniserer rodzonen, er yderligere afhængig af jordens beskaffenhed, hvordan den bearbejdes, og hvordan der gødskes.

Dette har ført til en erkendelse af nødvendigheden af at gå fra en-til-en systemer til at studere disse interaktioner i naturlige systemer, da observationer fra en-til-en studierne sjældent genfindes under mere komplekse forhold.

Svær adgang til prøvemateriale

En vigtig del af at udvikle dyrkningssystemer, som understøtter dyb rodvækst, er derfor at forstå interaktionerne mellem planter og mikroorganismer i hele rodzonen. Da det mikrobielle rekrutteringsgrundlag er den omkringliggende jord, er det er derfor også en forudsætning, at vi har en forståelse af de mikroorganismer, der lever i den dybe jordmatrix. På nuværende tidspunkt er der dog kun meget begrænset viden om mikrobiologien i dybere jordlag – både generelt og i forbindelse med rodkolonisering af afgrøder. Dette skyldes hovedsageligt, at det er svært at få adgang til at indsamle jord og rodmateriale fra dybe jordprofiler på landbrugsarealer.

Studier har vist, at der under pløjelaget (øverste 25 cm) er en væsentlig heterogenitet i jorden, og kulstofmængden i jorden under pløjelaget falder drastisk med dybden. Derudover er der også andre ilt- og næringsforhold i dybere jordlag, hvilket gør at de mikrobielle samfund, der findes i de dybere jordlag, forventes at have en anden sammensætning samt have en anderledes fysiologi. Hvorvidt det har indflydelse på det mikrobielle samfund, der koloniserer afgrøders dybe rødder, er uvist.

Nyt indblik i underjordens mikrobiologi

Gennem projekterne Genopore og Deep Frontier har vi haft muligheden for at få et første indblik i mikrobiologien i jorde ned til 5 meters dybe, både i jordmatricen samt omkring dybe rødder. Vi har taget prøver under landbrugsjord i Danmark, og desuden har vi brugt et unikt anlæg på Københavns Universitet til at studere, hvilke mikroorganismer der koloniserer rødderne af potentielle fremtidige afgrøder som Kernza (en flerårig kornafgrøde), Silphium (en energiafgrøde i familie med skålplante) og lucerne med rodvækst ned til mere end 3 meters dybde.

Baseret på DNA udvundet fra jordprøverne har vi bestemt hvilke bakterier, der var tilstede, og i hvilke mængder. I projektet Genopore så vi, at der var et markant fald i mængden af bakterier samt diversitet ned gennem jordprofilen. Det interessante var dog, hvor stor heterogeniteten var ved forskellige dybder.

Heterogeniteten skyldes dybe regnormegange og sprækker i jorden med højere antal og større diversitet af mikroorganismer end i den omkringliggende jord. Sammensætningen af bakterier i regnormegangene og sprækkerne var også markant anderledes end i jordmatrixen og afspejlede de forskellige fysisk-kemiske forhold i disse habitater.