Fotosynthese, de groene motor voor een duurzame wereld

Planten maken met zonlicht hun eigen bouwstoffen en energie: Fotosynthese. Als we de wereldbevolking willen blijven voeden en van energie voorzien op een duurzame manier, dan moeten planten veel meer voedsel, energie en bruikbare biomassa leveren dan ze nu doen. Fotosynthese is de groene motor van het leven op aarde. En die motor moet worden opgevoerd om dat te bereiken.

Waarom is fotosynthese nog niet optimaal?

“De fotosynthese van planten is in de natuur niet optimaal. Het is een kwetsbaar en tegelijk nogal agressief proces dat voorzien is van vele beschermingsmechanismen. Cultuurgewassen teel je onder gecontroleerde omstandigheden, op het veld of in de kas. Daar heb je die beschermingsmechanismen niet zo hard nodig, zeker als ze ten koste kunnen gaan van de productie”, zegt Mark Aarts, hoogleraar Erfelijkheidsleer van Wageningen University & Research.

Onder optimale omstandigheden zijn de verschillen in fotosynthese-efficiëntie klein. Maar bij stress zoals koude, hitte of droogte, komen flinke verschillen in efficiëntie naar voren en daar kun je op selecteren. Het onderzoek gebeurt met de modelplant Arabidopsis, de zandraket, omdat alle genen daarvan goed in kaart zijn gebracht.

Hoe optimaliseer je fotosynthese?

Optimale fotosynthese is nogal ingewikkeld. Ten eerste moet je onder zeer goed gecontroleerde omstandigheden meten wil je de kleine verschillen kunnen ontdekken. “Als je het in het veld doet, lukt het niet. En zelfs als je planten in een klimaatcel even verplaatst, zie je geen verschillen meer. Ze moeten eerst acclimatiseren voordat de variatie weer tot zijn recht komt. En die kleine verschillen zijn wel relevant. Want als we op deze manier op tien punten een kleine verbetering kunnen bereiken, komen we op een verbetering van zo’n tien tot twintig procent.” zegt Mark Aarts, hoogleraar Erfelijkheidsleer van Wageningen University & Research. Overigens is er geen lineaire relatie tussen fotosynthese en productie. De hogere efficiëntie kan tot een hogere opbrengsten leiden, maar ook tot een grotere aanmaak van bijvoorbeeld stoffen die de planten beschermen tegen belagers.

Een tweede punt is dat de gespecialiseerde meetapparatuur vroeger niet bestond. “De meettechnologie is cruciaal. Zoals gezegd bestaat de fotosynthese uit veel deelprocessen. We meten de efficiëntie van fotosysteem II (dat licht ‘oogst’ en omzet in chemische energie) door de plant een lichtpuls te geven en met een camera te registreren wat er gebeurt. Daarbij is het noodzakelijk dat er geen enkele verstoring plaatsvindt”, zegt Aarts.

Hoe kun je genen inzetten in het verbeteringsproces?

Als duidelijk is welke genen meespelen en welke variatie er bestaat, kun je de beter presterende exemplaren selecteren en gebruiken in het veredelingsproces. 'Genomic selection' kan daarbij een belangrijk hulpmiddel zijn. Deze aanpak komt aanvankelijk uit de dierenfokkerij maar is ook voor plantenveredeling goed bruikbaar. Je maakt een model dat aangeeft hoe bepaalde eigenschappen in een populatie verdeeld zijn en welke merkergenen daaraan bijdragen. Op grond daarvan kun je op basis van merkerdata de meeste en meest relevante genen gaan combineren voor het bereiken van en hogere productie.”

Voorbeelen van projecten