Når hvede lærer at passe på kvælstof

En stille weekendmorgen i et drivhus i AU Flakkebjerg står rækker af hvedeplanter og vokser med rødderne nedsænket i klart vand. Der er ingen jord og ingen automatisering til at tage over. Hver dag, også i weekender og på helligdage, kommer postdoc Purna Kumar Khatri fra Institut for Agroøkologi ved Aarhus Universitet forbi for at tjekke dem. Han justerer pH-værdien dråbe for dråbe. Hvis han ikke gør det, vil rødderne tage skade. Og forsøget vil mislykkes.

“Det er fysisk krævende,” siger han, “men også mentalt. Man skal være præcis. Hver eneste dag.”

Den minutiøse rutine er en del af en langt større fortælling: én, der begynder under jordoverfladen, hvor planter i stilhed forhandler med mikroorganismer om en af landbrugets mest værdifulde ressourcer: kvælstof.

Kvælstofproblemet, vi stadig kæmper med

Moderne landbrug drives af kvælstof. Alligevel bliver mindre end halvdelen af den tilførte kvælstofgødning faktisk optaget af afgrøderne. Resten går tabt enten ved udvaskning eller som lattergas emissioner til atmosfæren.

I årtier har forskere og beslutningstagere forsøgt at håndtere problemet med reguleringer og begrænsninger på gødning. En anden måde, man har forsøgt at begrænse problemet på, er syntetiske nitrifikationshæmmere. Disse kemikalier bremser mikrobernes omdannelse af ammonium til nitrat, hvilket kan reducere udledningen af lattergas. Men de er dyre, skal tilføres gentagne gange og kan påvirke andre organismer i jorden.

Hvad nu, hvis planterne selv kunne klare opgaven?

Det er kernen i begrebet biologisk nitrifikationshæmning (BNI): Her udskiller planterødderne selv stoffer, som bremser mikroorganismerne i jorden. Det betyder, at mere kvælstof bliver i jorden og mindre går tabt til miljøet. 

“Planter er ikke passive,” forklarer Purna Kumar Khatri. “De har forsvarsstrategier. Og de forsøger at sikre sig næringsstoffer i jorden. Vi er kun lige begyndt at forstå, hvor sofistikerede de strategier er.”

Et kemisk sprog under rødderne

I centrum af forskningen er benzoxazinoider: en gruppe naturligt forekommende stoffer, som især findes i kornarter som hvede, majs og rug. I årtier er disse forbindelser primært blevet studeret for deres rolle i planters forsvar. De kan nemlig afskrække insekter, hæmme ukrudt og påvirke nematoder.

Men Purna Kumar Khatri og hans kolleger har nu vist, at flere af disse stoffer også fungerer som effektive nitrifikationshæmmere.

I et nyligt publiceret studie undersøgte de 18 forskellige benzoxazinoider ved hjælp af en sensitiv bioluminescens-test med bakterien Nitrosomonas europaea, som er en modelorganisme for nitrifikation. Syv forbindelser skilte sig ud, heriblandt BOA, MBOA, DIBOA og DIMBOA, som alle kunne hæmme nitrifikation markant, selv ved relativt lave koncentrationer.

Det afgørende er, at disse stoffer ikke er syntetiske tilsætningsstoffer. De produceres af planten selv og frigives fra rødderne til jorden omkring dem.

“Det var gode nyheder,” siger Purna Kumar Khatri. “Ikke fordi stofferne var helt ukendte, men fordi vi nu forstår dem bedre. De var allerede kendt som forsvarskemikalier. Nu ser vi, at de også kan spille en vigtig rolle i kvælstofhåndtering.”

Hvede, der kan mere med mindre

Studiet sammenlignede tre hvedelinjer: en konventionel linje og to såkaldte BNI-hvedelinjer, som indeholder et kromosomstykke fra en vild græsart (Leymus racemosus), der er kendt for at styrke BNI-egenskaber.

Når planterne blev dyrket hydroponisk, altså i vand, udskilte BNI-linjerne markant større mængder af aktive benzoxazinoider end den konventionelle linje. Udskillelsen fra deres rødder var næsten dobbelt så effektivt, hvilket hænger direkte sammen med, at de udskiller højere koncentrationer er de naturlige kemikalier.

Det er vigtigt, fordi resultaterne her rækker langt ud over laboratoriet.

“Hvis man kan øge kvælstofudnyttelsen med bare ti procent under realistiske markforhold,” siger Purna Kumar Khatri, “så er de samlede besparelser i gødning og udledninger enorme.”

Nogle modelstudier peger på, at BNI-afgrøder kan reducere kvælstoftab med 20–30 procent. Og vigtigst: Tidlige markforsøg viser, at der ikke er nogen reduktion i udbytte. Landmænd kan altså bruge mindre gødning og stadig høste det samme.

Hvorfor planter kan være bedre end kemi

En af styrkerne ved plantebaseret nitrifikationshæmning er timingen og præcisionen. Syntetiske hæmmere tilføres i store doser på én gang. Planters egne stoffer frigives derimod gradvist og lokalt, lige præcis hvor og når der er behov for dem.

“Planten producerer meget små mængder,” forklarer Purna Kumar Khatri. “Men den gør det kontinuerligt. Og de her kemikalier har eksisteret i naturlige økosystemer i evigheder. Det er ikke noget nyt, vi tilfører udefra.”

Det reducerer også risikoen for utilsigtede effekter. Hvor syntetiske hæmmere kan forstyrre jordens mikrobielle samfund, har naturlige rodudskillelser ofte mere målrettede virkninger. I det internationale CropSustain-projekt undersøger forskere nu, hvordan BNI-egenskaber påvirker jordens mikrobiom og andre organismer over tid.

Fra molekyler til forædling

For Purna Kumar Khatri er det langsigtede mål klart: at omsætte kemisk indsigt til planteforædling.

Hvis forskere kan identificere de biosyntetiske veje, der producerer de mest effektive nitrifikationshæmmere, kan planteforædlere udvælge hvedesorter, som udtrykker disse egenskaber stærkere. Resultatet kan blive afgrøder, der i sig selv er mere klimavenlige uden at ændre dyrkningspraksis eller kræve nye input.

“Det er her, kemi møder genetik,” siger han. “Når vi kender stofferne, kan forædlere arbejde med at øge plantens evne til at producere dem.”

Indtil videre foregår arbejdet fortsat i drivhuset. Flasker med kemi fra planternes rødder fylder fryserne. Prøver venter på analyse. Arbejdet er langsomt, gentagende og ofte usynligt.

Men under overfladen er noget bemærkelsesværdigt ved at tage form.

“Hvis man kan bryde en cyklus naturligt,” siger Purna Kumar Khatri, “ikke med kemi, men med biologi, så vinder alle: planten, landmanden og miljøet.”

Mere information

Samarbejdspartnere: Institut for Agroøkologi ved Aarhus Universitet, Københavns Universitet og School of Biological Sciences at University of Aberdeen. 

Finansiering: Projektet er støttet af Novo Nordisk Fonden (NNF) under Biological Nitrification Inhibition (BioNI)-projektet (Grant No. NNF22SA0078638) samt i samarbejde med CIMMYT og støttet af NNF under CropSustaiN/AU-AGRO-projektet (Sub-grant Agreement No. GWP-2024-115 med Aarhus Universitet). CGR er støttet af et Royal Society University Research Fellowship (URF150571). CIMMYT har leveret frø til de anvendte hvedelinjer.

Interessekonflikt: Ingen

Læs mere: Publikationen “Benzoxazinoids as candidate compounds for biological nitrification inhibition in wheat” er publiceret i Plant Physiology and Biochemistry. Den er skrevet af: Purna Kumar Khatri, Jasmeet Kaur-Bhambra, Kenneth Madriz-Ordenana, Bente Birgitte Laursen, Hans Thordal-Christensen, Xiaoping Fan, Jonathan Sølve, Cecile Gubry-Rangin, Jawameer Hama, Kristian Koefoed Brandt, and Inge S. Fomsgaard. 

Kontakt:

Postdoc Purna Kumar Khatri, Institut for Agroøkologi, Aarhus Universitet. Mail: purna.khatri@agro.au.dk

Communications Adviser Camilla Brodam Galacho, Institut for Agroøkologi, Aarhus Universitet. Tlf.: 9352 2136 eller mail: brodam@agro.au.dk