Schadelijke insecten bestrijden met biodiversiteit in plaats van insecticiden

Planten hebben interactie met de individuen om hen heen – net zoals mensen.

Als mensen in de omgeving bijvoorbeeld vatbaar zijn voor infecties, neemt het eigen risico op besmetting toe. Zijn ze echter resistent, dan neemt dat risico af. Bij planten is dat niet anders: wanneer verschillende genetische typen van dezelfde soort samen worden aangeplant, zijn bepaalde combinaties resistenter tegen schadelijke insecten en ziekten. Dit gunstige effect van biologische diversiteit wordt aangeduid als associatieve resistentie.

Voedselzekerheid en het behoud van biodiversiteit

Een van de uitdagingen van moderne samenlevingen is om voedselzekerheid in balans te brengen met milieubescherming en biologische diversiteit. Schadelijke insecten en ziekten bedreigen de oogst, waardoor in de landbouw chemische gewasbeschermingsmiddelen worden ingezet. Pesticiden kunnen echter de diversiteit aan insectensoorten verminderen. «Hier zou associatieve resistentie als teeltmethode een oplossing kunnen bieden om de voedselproductie te waarborgen en tegelijk de biodiversiteit te behouden», zegt Kentaro Shimizu, directeur van het Instituut voor Evolutiebiologie en Milieuwetenschappen van de Universiteit van Zürich (UZH).

Maar welke combinaties van planten met verschillende genotypen – de individuele genetische samenstellingen – moeten in gemengde bestanden worden aangeplant om schadelijke insecten en ziekten af te weren? Wil men bijvoorbeeld twee genotypen kiezen uit in totaal 199, dan zijn er 19.701 mogelijke combinaties. Onderzoekers van de UZH hebben nu met behulp van een fysisch model een nieuwe methode ontwikkeld om mogelijke interacties tussen individuen op genetisch niveau te kunnen voorspellen.

Uitgebreid veldwerk op de Campus Irchel

De onderzoekers voerden twee jaar lang grootschalige experimenten uit op de Campus Irchel van de UZH en in Japan. Voor de 199 wereldwijd verzamelde genotypen van de plant Arabidopsis thaliana waren de genoomsequenties al bekend. De onderzoekers mengden op willekeurige wijze meer dan 30 individuen van elk van de 199 genotypen en plantten in totaal 6.400 individuen aan. “Om 52.707 insecten op 6.400 planten te tellen, bracht hoofdonderzoeker Yasuhiro Sato de zomermaanden door in de onderzoekstuin op de Irchel. Zijn immense dataset, die dankzij de onderzoekstuin van de universiteit op de Campus Irchel kon worden verzameld, was de sleutel tot deze studie”, zegt UZH-professor Shimizu.

Tot nu toe bestonden er geen analysemethoden om de wisselwerkingen op het niveau van het genoom - het volledige erfelijkheidsmateriaal - tussen naburige plantindividuen te onderzoeken. Het team van dr. Sato ontwikkelde daarom een nieuwe computermethode: een genoombrede associatiestudie genaamd “Neighbor GWAS”. Deze is gebaseerd op een model uit de natuurkunde dat wordt gebruikt om wisselwerkingen tussen magneten te analyseren. Het team analyseerde daarmee hoe de aantasting door schadelijke organismen wordt beïnvloed door de combinatie van naast elkaar staande individuen met een verschillend genotype. Parallel daaraan werden de resultaten van de veldproeven in aanmerking genomen.

Vermindering van schadelijke organismen met tot 25 procent

De analyse toonde aan dat talrijke genen betrokken zijn bij de interacties met de omliggende individuen. Met behulp van machinaal leren konden de plantenwetenschappers met het model de schade door planteneters voorspellen en gunstige combinaties van genotypeparen identificeren die over een geassocieerde resistentie beschikken.

Gedurende twee jaar werd nog een grootschalig veldexperiment uitgevoerd, waarbij ongeveer 2.000 plantindividuen paarsgewijs werden aangeplant met de genotypen waarvoor drie niveaus van associatieve resistentie waren voorspeld. De resultaten van het veldexperiment toonden aan dat - in vergelijking met het aanplanten van een enkel genotype - het mengen van twee genotypen de schade door planteneters bij het hoogste respectievelijk tweede hoogste niveau van associatieve resistentie met 24,8 procent respectievelijk 22,7 procent verminderde.

Toekomstige ontwikkelingen

«Deze studie is een mijlpaal in het onderzoek naar de wisselwerking tussen individuele planten. Ze toont aan hoe belangrijk biodiversiteit is: ten eerste kan de genetische diversiteit van gewassen zelf de plaagdruk verminderen. Ten tweede dragen minder pesticiden in de landbouw bij aan het behoud van de biologische diversiteit, inclusief insecten», vat Kentaro Shimizu samen.

Metastudies waarbij Bernhard Schmid betrokken was, tonen aan dat bijvoorbeeld bij tarwe en rijst 4 tot 16 procent hogere opbrengsten worden behaald wanneer genotypen willekeurig worden gemengd. Volgens Shimizu zou de nieuwe methode, dankzij de genoominformatie die voor deze gewassen beschikbaar is, door het voorspellen van geassocieerde resistenties de keuze van genotypemengsels kunnen optimaliseren en zo de opbrengsten van deze landbouwkundig belangrijke plantensoorten zelfs nog verder kunnen verhogen, terwijl tegelijkertijd het pesticidengebruik wordt verminderd.