In een groot, internationaal onderzoeksproject is in beeld gebracht hoe planten enorme ondergrondse netwerken van schimmeldraden bouwen. Met een hoofdrol voor een in Amsterdam ontwikkelde robot die dergelijke schimmelnetwerken in het lab fotografeert.

 

Je ziet het niet, maar de wortels van planten gaan onder de grond een samenwerking aan met enorme netwerken van schimmeldraden. Die helpen de plant om voedingsstoffen uit de bodem te halen; de plant kan op zijn beurt CO2 uit de lucht in het schimmeldradennetwerk opslaan.

Handelspartners

Dit is een symbiotische samenwerking: beide organismen hebben er baat bij. Ze zijn als het ware handelspartners. De schimmeldraden vervoeren voedingsstoffen zoals stikstof en fosfor vanuit de bodem naar de plant, en de plant is voor de schimmels de enige manier om aan koolstof te komen voor zijn groei.

Robot van AMOLF

Voor het eerst is heel precies onderzocht hoe dergelijke netwerken van schimmeldraden groeien en zich ontwikkelen. Een internationaal team van onderzoekers, waaronder uit Nederland, liet schimmeldraden in het lab groeien en volgde die processen drie jaar lang. Daarbij was een centrale rol weggelegd voor een bij het Amsterdamse onderzoeksinstituut AMOLF ontwikkelde robot die om de zoveel tijd foto’s van de lab-schimmels maakte. De inzichten die daaruit volgen, werden 26 februari gepubliceerd in een artikel in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.

Koolstof opslaan in de grond

Het onderzoek maakt meer duidelijk over hoe de gigantische netwerken koolstof uit de atmosfeer opslaan in de grond; een mechanisme dat steeds belangrijker wordt met de opwarming van de aarde in het achterhoofd. ‘Het is superfascinerend hoe deze schimmeldraden werken’, zegt Tom Shimizu van AMOLF en de Vrije Universiteit Amsterdam via Teams. ‘De laatste jaren blijkt steeds meer hoe belangrijk deze organismen, zogeheten mycorrhizale schimmels, zijn voor de hele natuur.’ (lees ook het artikel ‘Schitterend boek over schimmels’)

Honderden petrischaaltjes

In samenwerking met de groep van Toby Kiers aan de VU, een van de eersten die deze schimmels ging bestuderen, werden labexperimenten opgezet met schimmeldraden. In honderden petrischaaltjes groeiden tegelijk schimmelnetwerken en een speciale, bij AMOLF ontwikkelde robot, maakte drie jaar lang op regelmatige tijden foto’s van de netwerken. ‘Het maken van die beelden is niet zo heel ingewikkeld. Hij nam gewoon elke keer een foto van de schimmeldraden met een lichtbron die erachter stond’, zegt Shimizu. Toch hadden ze dit werk niet kunnen doen als een mens die foto’s had moeten maken. ‘Het werk dat de robot in drie jaar heeft verzet, had een mens wel honderd jaar gekost.’

De robot maakte dus foto’s, maar als je die achter elkaar zet, levert dat een video op die laat zien hoe het netwerk van schimmeldraden zich ontwikkelt:

Exploring “A travelling-wave strategy for plant–fungal trade”

Bodem rijk aan voedingsstoffen

Uit de gemaakte beelden kwamen verschillende interessante resultaten naar voren. Bijvoorbeeld hoe de schimmeldraden groeien. Een netwerk stuurt er regelmatig een dunne ‘verkenner’-draad op uit om te kijken hoe het zit met de voedingsstoffen in de bodem op die plek. Is de bodem daar rijk aan voedingsstoffen, dan loont het de moeite om daar meer vertakkingen te laten groeien. Deze aanpak voorkomt dat er energie wordt verspild aan de bouw van een uitgebreid nieuw stuk netwerk, voordat duidelijk is of dat wel de moeite waard is op die plek.

Schimmeldraden versmelten

Ook ontdekten de onderzoekers van AMOLF en de VU dat twee schimmeldraden die elkaar toevallig tegenkomen tijdens het groeien, met elkaar versmelten. ‘Ze gaan samen. Dat werkt heel goed, want dit voorkomt dat er doodlopende wegen ontstaan. Ook is hiermee een van de schimmeldraden geĂ«indigd. Met een paar simpele regeltjes voorkomt de schimmel zo dat er te veel draden in het netwerk worden aangelegd’, zegt Shimizu. Dat is van belang, want de aanleg van nieuwe draden kost energie.

Microscoopbeeld (contrastkleuren toegevoegd) van een mycorrhiza-schimmel die een symbiotische relatie vormt met plantenwortels. De hyfale filamenten (blauwe en groene lijnen in de afbeelding) fungeren als ondergrondse transportbuizen voor voedingsstoffen. Een aanzienlijke hoeveelheid van planten afkomstig koolstof wordt opgeslagen in de reproductieve sporen (kleine bolletjes in de afbeelding) van de schimmel. Credits: Loreto Oyarte Galvez (VU/AMOLF).

Zuinig bouwen van infrastructuur

Deze bevindingen doen denken aan andere vakgebieden waar wegen of verbindingen worden aangelegd. Misschien dat de stedenbouwkunde nog iets kan leren van de schimmeldraden? ‘Ik ben geen expert op het gebied van urban design, maar volgens mij moet hier wel wat van te leren zijn op het gebied van zuinig bouwen van infrastructuur’, zegt Shimizu. ‘Wat we zien is dat een paar eenvoudige regeltjes leiden tot een voldoende dichtheid van het dradennetwerk.’

Vloeistof stroomt in twee richtingen

De onderzoekers konden desgewenst ook inzoomen op extra interessante gebieden. Dat leverde een onverwachte ontdekking op. De vloeistof die door een schimmeldraad stroomt kan in twee richtingen bewegen; een van de video’s (zie hieronder) laat zien hoe de richting van de vloeistofstroom omkeert. Nu is dat op zich nog niet zo raar, dat kan water in een pijp in principe ook. Het gekke is dat in zo’n schimmeldraad vloeistoffen tegelijk in beide richtingen kunnen stromen. Shimizu: ‘Dat was echt mind-boggling toen we dat voor het eerst zagen. Voor fysici als mijzelf is dat zó raar. Dat kán normaal gesproken helemaal niet!’

Cytoplasmic flows inside open-pipe networks of arbuscular mycorrhizal fungi (AMOLF/VU/SPUN)

Koolstof verplaatsen vanuit de atmosfeer

De schimmeldraden zijn een soort eenvoudige buisjes, die grotendeels bestaan uit koolstofatomen. Daarmee spelen de ondergrondse schimmelnetwerken ook een rol bij het verplaatsen van koolstof vanuit de atmosfeer (CO2) naar de bodem. Misschien dat het teveel aan CO2 in de atmosfeer voor een deel wel in de ondergrondse netwerken kan worden opgeslagen. ‘Dat is zeker een interessant idee, omdat dit natuurlijke processen zijn. We moeten wel nog uitvinden hoe dit precies in zijn werk gaat, wat hiervan de regels zijn’, zegt Shimizu.

Nog complexere vragen beantwoorden

Het onderzoek gaat inmiddels verder. Bij AMOLF leggen technici momenteel de laatste hand aan een nieuwe robot, die tien keer sneller beelden kan maken. Daar zitten de schimmelonderzoekers om te springen, want dit betekent dat er nog complexere vragen kunnen worden beantwoord. Zoals de hoofdvraag achter dit onderzoek: hoe krijgt een schimmel het in vredesnaam voor elkaar om een economisch, zuinig netwerk op te bouwen zonder een centraal brein te hebben? ‘Of de vraag hoe een schimmeldradennetwerk zijn handelsgedrag met planten aanpast afhankelijk van met welke soorten planten het verbonden is’, zegt Shimizu. ‘Ook kan de nieuwe robot zelf inzoomen op onderdelen van een netwerk waar iets interessants gebeurt. Met de oude robot moeten we dat nog met de hand doen. Die nieuwe robot is groter, beter en sneller.’
 

Openingsbeeld: Deze afbeelding van een schimmeldradennetwerk laat zien dat sommige draden dikker zijn. Dit zijn belangrijke transportroutes van het netwerk. Foto: Loreto Oyarte Gálvez, VU Amsterdam