Planten zijn niet de meest actieve wezens die je op onze planeet kunt tegenkomen, maar onder hun groene huidje woedt een constante strijd tegen onzichtbare indringers. Net als mensen beschikken ze over een complex immuunsysteem dat hen beschermt tegen ziektes. En dat systeem krijgt nu een upgrade dankzij AI.
Onderzoekers van de University of California hebben met behulp van kunstmatige intelligentie het afweersysteem van bepaalde gewassen slimmer gemaakt. Ze leerden de planten hoe ze een breder scala aan bacteriën kunnen herkennen en afweren. De bevindingen kunnen grote gevolgen hebben voor de bescherming van belangrijke voedselgewassen zoals de tomaat en de aardappel.
Kat-en-muisspel
Een van de verdedigingsmechanismen van planten zijn de zogenaamde immuunreceptoren: moleculaire ‘sensoren’ die binnendringende ziekteverwekkers opsporen. Een bekende receptor is FLS2, die de sirene laat loeien wanneer het flagelline herkent, een eiwit dat zich in het zweepstaartje bevindt waarmee bacteriën zich voortbewegen. Maar bacteriën laten zich niet als makke schapen naar de slachtbank leiden. “Deze eencelligen zitten niet stil. Ze bevinden zich in een evolutionaire wapenwedloop met hun gastheren”, legt hoofdonderzoeker Gitta Coaker uit. “Door kleine veranderingen in de samenstelling van hun eiwitten maken ze zich onzichtbaar voor de plant.”
AI als wapen
Om planten een voorsprong te geven in die wedloop, zette Coaker en haar team het AI-model AlphaFold in, een tool die de 3D-structuur van eiwitten kan voorspellen. Zo analyseerden ze verschillende varianten van de FLS2-receptor. Sommige varianten bleken beter in staat om bacteriën te detecteren dan andere, zelfs als ze van nature niet voorkomen in de populaire landbouwgewassen.
Door deze receptoren te vergelijken met minder effectieve versies, konden de onderzoekers precies bepalen welke aminozuren verantwoordelijk zijn voor de verschillen. Vervolgens pasten ze de bestaande receptoren aan, zodat de receptoren weer in staat waren de bacteriën te herkennen die eerder onder de radar waren gedoken. “We hebben als het ware een uitgeschakelde receptor opnieuw tot leven gewekt”, zegt Coaker. “Daardoor kan de plant zich weer gericht verdedigen tegen infecties.”
Oogsten redden zonder landbouwgif
Dat is goed nieuws voor boeren wereldwijd, die jaarlijks grote verliezen lijden door bacteriële ziekten. Een van de grootste boosdoeners is Ralstonia solanacearum, een hardnekkige bodembacterie die in staat is om tomaten, aardappelen en meer dan tweehonderd andere plantensoorten te besmetten.
Omdat hij via de wortels binnendringt en planten letterlijk van binnenuit verstikt, is deze bacterie lastig te bestrijden. Met de AI-gestuurde receptoren hopen onderzoekers straks gewassen te maken die van nature beter bestand zijn tegen dit soort vijanden. Als dit werkt, hoeven boeren geen chemische bestrijdingsmiddelen meer in te zetten tegen deze schadelijke organismen.
Slimme planten op bestelling
Het onderzoeksteam werkt nu aan machine learning-tools die kunnen voorspellen welke immuunreceptoren in de toekomst het meest de moeite waard zijn om aan te passen. Zo kunnen ze nog gerichter sleutelen aan het immuunsysteem van planten. De wetenschappers blijven op zoek naar manieren om met zo min mogelijk aanpassingen toch het maximale verdedigingsresultaat te behalen.
Volgens Coaker is dit pas het begin: “We kunnen deze methode ook gebruiken om andere receptoren ‘slimmer’ te maken. Daarmee komt een nieuw tijdperk in zicht, waarin we gewassen kunnen ontwerpen die zichzelf beter beschermen op een slimme, duurzame en toekomstbestendige manier.”
