italianestro/Shutterstock
Fotosynthese is het beginpunt van bijna elke voedselketen en houdt het meeste leven op aarde in stand. Het is je dus vergeven als je denkt dat de natuur de kunst van het zonlicht omzetten in suiker heeft geperfectioneerd. Maar dat is niet helemaal waar. Als je worstelt met je levensdoelen, is het misschien geruststellend om te weten dat zelfs planten hun volledige potentieel nog niet hebben bereikt.
Elke geëvolueerde eigenschap is een afweging tussen het voordeel dat het oplevert en de kosten in energie. De planten die we hebben gedomesticeerd voor voedsel zijn slechts zo goed in het omzetten van zonlicht naar suiker als ze moesten zijn om te overleven en zich voort te planten. Van een gegeven hoeveelheid zonlicht zetten de meeste planten minder dan 5% van die lichtenergie om in biomassa, en onder sommige omstandigheden zelfs minder dan 1%.
We hebben nu de kennis en de middelen om de fotosynthese in een reeks voedingsgewassen te maximaliseren – maar wetenschappers bestuderen niet alleen uit nieuwsgierigheid hoe we planten kunnen helpen beter te worden in fotosynthese. Door klimaatverandering veroorzaakte weersomstandigheden, zoals droogte en overstromingen, vernietigen gewassen en bedreigen de gewasopbrengst over de hele wereld. Dit onderzoek moet ervoor zorgen dat we genoeg voedsel kunnen verbouwen om onszelf te voeden.
Veel mensen denken aan planten als mooi groen. Essentieel voor schone lucht, ja, maar eenvoudige organismen. Een verandering in het onderzoek verandert de manier waarop wetenschappers over planten denken: ze zijn veel complexer en lijken meer op ons dan je zou denken. Dit bloeiende wetenschapsgebied is te prachtig om in één of twee verhalen recht te doen.
Dit artikel maakt deel uit van een serie, Plant Curious, waarin wetenschappelijke onderzoeken worden onderzocht die de manier waarop je naar planten kijkt op de proef stellen.
Planten zoals tarwe maken soms ten onrechte een giftige stof aan die 2-fosfoglycolaat wordt genoemd. Deze stof moet vervolgens binnen de plant worden gerecycled, wat de plant energie kost. Wetenschappers noemen dit fotorespiratie. Het gebeurt wanneer een enzym dat cruciaal is voor het fotosyntheseproces, rubisco, zich per ongeluk vastklampt aan een zuurstofmolecuul in plaats van kooldioxide.
Rubisco maakt deze fout tot 40% van de tijd. Dit gebeurt omdat er nu veel meer zuurstof in de atmosfeer zit dan vroeger, die daar terecht is gekomen door de allereerste fotosynthesemakers, cyanobacteriën – microscopische organismen die in water voorkomen. Stijgende temperaturen veroorzaken ook meer fotorespiratie.
Als we deze fout zouden kunnen voorkomen, zouden planten meer energie overhouden voor fotosynthese.
Zonlicht opvangen
Ons onderzoeksproject, PhotoBoost, onderzoekt hoe je een soort interne bypass kunt creëren die de fotorespiratie vermindert in rijst- en aardappelplanten, twee van ’s werelds belangrijkste gewassen.
Op dezelfde manier als een coronaire bypass bij mensen het bloed omleidt rond nauwe of verstopte slagaders, geeft de fotorespiratie bypass planten de genetische hulpmiddelen die ze nodig hebben om de fout van rubisco te minimaliseren. Genen van cyanobacteriën maken deze en andere fotosynthetische verbeteringen mogelijk omdat ze een reeks enzymen bevatten voor een beter beheer van zonlicht.
Andere onderzoekers kijken naar planten zoals maïs, die hun eigen manier hebben ontwikkeld om met fotorespiratie om te gaan, als een bron van inspiratie – en genen – voor rijst.
Deze planten maken misschien niet optimaal gebruik van de fotosynthese.
Lamyai/Shutterstock
We verbeteren ook de snelheid waarmee planten reageren op veranderingen in lichtintensiteit, omdat dit ook van invloed is op de fotosynthese. Planten schakelen hun fotosynthesemachines uit als ze te veel zon krijgen (wanneer het licht intenser is), waarna ze traag kunnen zijn om opnieuw te beginnen met fotosynthetiseren wanneer het weer koeler wordt – bijvoorbeeld wanneer wolken overrollen.
Een onderzoeksgroep in de VS heeft onlangs aangetoond dat het versnellen van dit fotoprotectieproces bij sojabonen kan leiden tot een verhoging van de zaadopbrengst met 33%.
Op PhotoBoost praten we met onderzoekers, landbouwkundigen en boeren over de hele wereld om te begrijpen hoe we de behoeften van de maatschappij kunnen afstemmen op deze nieuwe grens in de plantenwetenschap. Volgens Elizabete Carmo-Silva en Ana Moreira Lobo, collega’s aan de Lancaster University: “Klimaatverandering, dalende opbrengsten en waterstress vormen deze eeuw grote uitdagingen voor de voedselproductie.”
Hun team onderzoekt de reactie van planten op licht en temperatuur, met bijzondere aandacht voor het enzym rubisco. Een hogere opbrengst is misschien het meest voor de hand liggende voordeel van het verbeteren van de fotosynthese, maar het zal planten ook beter bestand maken tegen droogte en hittestress.
Nieuwe gereedschappen
Een nieuw gereedschap in het arsenaal van de plantenveredelaar, genbewerking, stelt wetenschappers in staat om genen aan en uit te zetten en het effect ervan op de prestaties van planten te testen. Zodra we hun functie kennen, kunnen deze genen worden onderdrukt, gepromoot of, zoals sinds de jaren 1990 in commerciële gewassen is gedaan, geïntroduceerd via genetische modificatie.
Aan de Universidade Nova de Lisboa in Portugal vertelden Nelson Saibo en Isabel Abreu ons dat de instrumenten die plantenveredelaars tegenwoordig hebben meer “fijnafstemmers” zijn. Hun team gebruikt genbewerking om de fotosynthese in rijst te verbeteren.
De aardappelboeren die we onlangs spraken in het oosten van Engeland zagen een grotere fotosynthese-efficiëntie als een manier om land vrij te maken voor de natuur – bijvoorbeeld door bomen te planten op oude boslocaties of veengrond te herstellen in de Fens – omdat efficiëntere planten betekenen dat je er minder van nodig hebt voor dezelfde gewasopbrengst. Hun grootste zorg was of grote winkelketens in het Verenigd Koninkrijk bereid zouden zijn om genetisch gemanipuleerde gewassen te steunen.
Naast Photoboost financiert de Europese Unie ook andere fotosyntheseprogramma’s via de projecten Gain4crops (zonnebloem) en Capitalise (tomaat, maïs en gerst). Het verbeteren van de fotosynthese is geen wondermiddel voor veel van de landbouwproblemen waar we mee te maken hebben. Maar het combineren van kennis en nieuwe hulpmiddelen zal ons helpen om het meeste uit licht te halen.
Jonathan Menary ontvangt subsidie van de Europese Unie
Sebastian Fuller ontvangt financiering van de Europese Commissie en het Britse National Institute for Health and Care Research.
Stefan Schillberg ontvangt financiële steun van de Europese Unie.