Amsterdamse onderzoekers bouwen robot die laat zien hoe een schimmelnetwerk groeit

Schimmels en planten zijn voor hun voedingsstoffen van elkaar afhankelijk. Schimmels spelen bovendien een grote rol bij opslag van CO2 in de bodem. Over hoe schimmelnetwerken groeien en de ‘handel’ in voedingsstoffen aanpakken is echter nog veel onbekend.

Nieuw onderzoek laat drie strategieën zien die de schimmels gebruiken om de uitwisseling van voedingsstoffen efficiënt te laten verlopen. Onderzoekers van natuurkundig onderzoeksinstituut Amolf en de VU Amsterdam bouwden hiervoor een robot die ontwikkeling van schimmelnetwerken in ruimte en tijd in beeld kan brengen. Ze publiceren er woensdag over in Nature.

Tot wel 70 procent van het totaal aan koolstof in de bodem is opgeslagen in de grote kluwen van ragfijne draden van zogenoemde mycorrhizaschimmels. Dit maakt schimmels van groot belang voor de CO2-huishouding van de aarde. Mycorrhiza komt overal ter wereld voor. De schimmel groeit op koolstof afkomstig van planten en op hun beurt leveren de schimmels stikstof en fosfor aan de plant.

„Deze symbiotische relatie vraagt veel van de schimmels”, zegt Toby Kiers, auteur van het onderzoek en hoogleraar evolutionaire biologie aan de VU. „Ze moeten eerst voedingsstoffen verzamelen, die transporteren naar de plant en pas dan krijgen ze de voedingsstof waar ze zelf op groeien. Zo’n aanvoerketen moet efficiënt zijn, maar we hadden geen idee hoe schimmels dat aanpakken. Schimmels hebben geen centraal zenuwstelsel.”

Microscopisch klein

Schimmelnetwerken kunnen bovendien kilometers groot zijn, de individuele draden juist microscopisch klein en alles gebeurt ondergronds. Dat maakt onderzoek ingewikkeld. Bij eerdere experimenten in het lab werd alleen de begin- en de eindsituatie gemeten, vertelt Kiers.

Dankzij de nieuwe robot is de ontwikkeling van schimmelnetwerken in real time te volgen. „Kort gezegd legt hij 40 schimmelnetwerken die groeien in een petrischaaltje elke twee uur onder de microscoop, 24 uur per dag”, zegt Tom Shimizu, eveneens auteur, groepsleider bij Amolf en hoogleraar biofysica aan de VU. „Met de computer konden we vervolgens de ontwikkeling van een half miljoen vertakkingen gelijktijdig analyseren, de architectuur van het netwerk.”

Met een andere microscoop, waar de schimmels door een mens onder worden gelegd, zijn specifieke knooppunten in meer detail in beeld gebracht. „We zoomden in op de beweging van de voedingsstoffen binnen deze schimmeldraden, het gedrag van het verkeer op de weg als het ware”, zegt Shimizu. „Er is nog zo weinig onderzocht aan deze schimmels, bijna alles wat we zien is een nieuwe ontdekking.”

Schimmels blijken actief op zoek te gaan naar plekken waar veel voedingsstoffen zijn. Dit doen ze niet via exponentiële groei, zoals in de natuur vaak gebeurt, maar met specialistische schimmeldraden die verkennend werk uitvoeren. Die trekken eropuit, en in het kielzog ontwikkelen zich vertakkingen die net dik genoeg zijn voor het transporteren van bijvoorbeeld fosfaat. De verkenners blijken in hun zoektocht voorkeur te hebben voor grote winst in de toekomst boven beperkte winst op korte termijn.

Ook werd duidelijk dat binnen de schimmeldraden tweerichtingsverkeer plaatsvindt. Koolstof – in de vorm van suikers en vetten – wurmt zich langs fosfor en stikstof. „Dat gaat niet via aparte ‘rijstroken’”, zegt Kiers. „Stel het je voor als een chaotisch kruispunt met auto’s, fietsers en wandelaars. Verrassend genoeg botst er niemand.” Om opstoppingen te voorkomen passen schimmels de snelheid aan en op plekken waar veel voedingsstoffen nodig zijn vergroten ze de vaten.

Kruispunten die ontstaan

Verder blijkt dat de schimmeldraden onderling samenwerken op basis van ‘lokale regelgeving’. Als verschillende draden elkaar tegenkomen, dan ontstaat er een kruispunt in plaats van dat ze langs elkaar heen gaan en alles via eigen vertakkingen transporteren.

„We staan nog maar aan het begin van wat er mogelijk is met deze manier van onderzoeken”, zegt Shimizu. „We werken inmiddels aan een nieuwe versie van de robot, die sneller werkt en 200 netwerken tegelijk in beeld kan brengen. Hij kan ook het inzoomen zelf organiseren, een mens is niet meer nodig.”

„We hebben nu pas één type schimmel bekeken, maar er zijn er nog zoveel meer”, zegt Kiers. „Ook het bodemleven is eindeloos divers, wat gebeurt er als je bacteriën toevoegt? Of meerdere planten aan een schimmelnetwerk koppelt?”

Veel vragen zijn er ook over de relatie tussen schimmels en de CO2huishouding van de aarde. Hoe reageren ze op temperatuurverandering en andere verstoringen? Shimizu: „Er gaat ongelooflijk veel koolstof om in schimmels, maar welke mechanismen er spelen weten we nog helemaal niet.”


Lees ook

Toby Kiers kijkt het liefst omlaag, want daar bevindt zich het schimmelrijk

Toby Kiers bemonstert de bodem op het atol Palmyra.