Nanopore sequencing: Wat leeft er in de bodem?
Onderwerp
nanaopore sequencing, bodem
Voor de groei van planten zijn water, zonlicht en nutriënten onontbeerlijk. Steeds duidelijker wordt dat ook een gezonde bodem met een gezond microbioom van essentieel belang is om de planten goed te laten opgroeien. Het microbioom draagt eveneens bij aan de weerbaarheid van planten tegen ziekten en plagen. Het microbioom bestaat uit micro-organismen zoals schimmels, bacteriën, nematoden en protozoën. Deze kleine, niet met het blote oog waarneembare micro-organismen noemen we het bodemmicrobioom. Met behulp van de nieuwste DNA-technieken, waaronder Nanopore sequencing, is het mogelijk het DNA van micro-organismen uit de bodem te sequencen en de ‘letters’ van het DNA zichtbaar te maken. Daarmee zijn de micro-organismen te identificeren.
Nanopore sequencing
De afgelopen jaren heeft het lectoraat Green Biotechnology hard gewerkt om het sequencen en vervolgens identificeren en classificeren van de aanwezige micro-organismen onder de knie te krijgen. Het Nanopore sequencen gebeurt met de MinION, het bekende systeem van Oxford NanoPore Technologies. Deze techniek is niet de standaard voor het uitvoeren van dit type microbioomanalyses, maar is wel veel eenvoudiger en goedkoper toe te passen. Het blijft belangrijk om de oude en nieuwe technieken met elkaar te vergelijken en dat onderzoek gebeurt in het bodemmicrobioom-project.
“Het is geweldig om te zien dat we nu in het onderwijs van Inholland met de nieuwe Nanopore DNA-sequencing-techniek aan de slag kunnen en dat onze studenten al met deze technologie leren werken.”
Bodemmicrobioom-project
In het bodemproject wordt onderzoek gedaan naar de samenstelling van de aanwezige micro-organismen in de bodem, met name bacteriën, schimmels en protozoën. Deze worden onderzocht met speciale PCR (Polymerase Chain Reaction) verrijkingsmethoden, Metabarcoding genaamd. Dat betekent telkens drie verschillende PCR-methoden uitvoeren – veel werk voor één bodemmonster. Daarom is Inholland bezig om één alomvattende methode, ook wel Metagenomics genoemd, op te zetten om de bodemanalyses te versnellen en goedkoper te maken. De resultaten van beide methoden worden vervolgens vergeleken.
Het bodemmicrobioom zal niet altijd hetzelfde zijn; vermoedelijk bestaan er seizoensverschillen in de samenstelling. Ook zullen de bodemsoort, het gewas dat op de bodem groeit en de verschillende grond- en gewasbehandelingen die de teler toepast, invloed hebben op de samenstelling van het microbioom. Of is het microbioom stabieler dan gedacht? Onderdeel van het onderzoek is een inventarisatie van de microbioomsamenstelling in de bodem in opeenvolgende jaren, in verschillende gronden en met diverse gewassen. Het hoofdgewas is hyacint geteeld op zandgrond in het Westland, vandaar de samenwerking met hyacintteler E.J. Hoogervorst & zonen en coöperatie Agrifirm.
“De bio-informatica die nodig is na de DNA-sequencing, om de micro-organismen te identificeren, is best pittig en heeft veel hoofdbrekens gekost. Dit onderzoek heeft daarmee een enorme boost gegeven aan het bio-informatica-onderwijs. Het is een mooi voorbeeld van hoe onderzoek en onderwijs elkaar versterken.”
Naast bodemmicro-organismen die de groei van planten bevorderen en de weerbaarheid van de plant tegen ziekten en plagen verhogen, zijn er ook micro-organismen in de bodem die de plant belagen. Het is van belang om de aanwezigheid van deze pathogenen in de gaten te houden om een gezonde plant te kunnen telen. Daarvoor willen de onderzoekers van Inholland specifieke detectieprotocollen ontwerpen. Als eerste voor pythium, een belangrijk pathogeen dat een bedreiging vormt voor de hyacintteelt. Met de eerste PCR-testen is deze oömyceet al aangetoond in de bodem. Nu wordt onderzocht of deze en andere pathogenen in de DNA-sequencing-analyses zijn te identificeren.
Resultaten
Met de ontwikkeling en implementatie van de Nanopore DNA-sequencing-techniek zijn grote sprongen vooruit gemaakt en zijn de aanwezige bacteriën te identificeren en classificeren. Nu wordt een stap verder gezet om de aanwezige bacteriën in te delen in ecologische functiegroepen, gericht op twee vragen:
- Wat is de functie van deze bacteriën in de bodem? Hierbij wordt gekeken naar bacteriën die betrokken zijn bij de koolstof-, stikstof- en zwavelkringloop.
- Welke bacteriën bevorderen de plantgroei en maken de plant weerbaarder tegen ziekten en plagen?
De onderzoekspartners, telers en bodemonderzoekers, zijn vooral geïnteresseerd in de samenstelling van een goed bodemmicrobioom. Welke micro-organismen zijn juist cruciaal om planten beter te laten groeien en meer weerbaarheid te geven tijdens de teelt, zodat ze minder last hebben van ziekten en plagen? Het effect van bio-stimulanten om de samenstelling van het bodemmicrobioom te verbeteren is daarbij ook een belangrijk onderzoeksonderwerp.
Inmiddels zijn de DNA-sequencing-analyses van het bacteriële microbioom van de zandbodem van het eerste jaar uitgevoerd. Er zijn verschillende herhalingen van bodemmonsters in hetzelfde veld onderzocht en vier keer in het jaar zijn bodemmonsters genomen bij verschillende bol- en bodembehandelingen. In totaal zijn nu zo’n zestig bodemmonsters geanalyseerd. Tot nu toe zijn er geen verschillen waargenomen in de bacteriesamenstelling tussen de herhalingen in een veld en slechts kleine verschillen in de samenstelling door het jaar heen. Duidelijkere verschillen zijn er gevonden in de bodems die een andere bodem- en gewasbehandeling hebben gehad. De betekenis hiervan voor de samenstelling van een goed bodemmicrobioom en de verdere effecten op de plantengroei worden nu uitgezocht.
“Ik vind het fantastisch dat we de belangrijke Nanopore DNA-sequencing-techniek in ons onderzoekslaboratorium hebben opgezet en dat we de bruikbaarheid van deze nieuwe state-of-the-art DNA-sleuteltechnologie verder bestuderen en al toepassen in ons onderzoek. Daarnaast ben ik ontzettend trots op het team van onderzoekers en studenten die aan dit project meewerken: Sonia Jillings, Merijn de Boer, Peter Hoitinga, Frank van der Helm en Christiaan van der Heijden.”
Tot nu toe lag de focus vooral op het bacteriële microbioom. Nu komt er aandacht voor de samenstelling van andere micro-organismen in de bodem, zoals schimmels en protozoën. De DNA-sequenties van de bodemmonsters liggen klaar voor deze analyses.
Daarnaast werkt Inholland samen met andere hogescholen van CoE Groen in een groter onderzoeksproject. Dat gaat over de verhoging van het koolstofgehalte in de bodem om zodoende meer CO2 te kunnen opslaan. Deze bewerking van de bodem zal waarschijnlijk ook haar weerslag hebben op de samenstelling van het bodemmicrobioom. Inholland gaat dit met de Nanopore DNA-sequencing-techniek verder onderzoeken.
Partners
Private partners zijn E.J. Hogervorst & zonen in Noordwijkerhout, teler van de Hyacint Multiflora op pot, en Agrifirm, coöperatie van veehouders en plantentelers. Daarnaast is
Centre of Expertise Groen betrokken bij het onderzoek; CoE Groen is een samenwerking van Inholland, HAS Green Academy, Aeres Hogeschool en Hogeschool Van Hall-Larenstein.
In samenwerking met Regieorgaan SIA en het Ministerie van Landbouw, Natuur en Voedselkwaliteit
