Plant gaat toch slimmer om met overdosis licht

Een groene plant vangt het licht van de zon op effectieve wijze op. De plant geleidt de ingevangen ‘lichtpakketjes’ (fotonen) naar de interne verwerkingseenheid, het zogenaamde reactiecentrum, waar de energie via een reeks van chemische reacties leidt tot elektronen en protonen die nodig zijn voor de aanmaak van organische moleculen, zoals suiker. Echter, in fel zonlicht kan het reactiecentrum de gevormde elektronen en protonen niet snel genoeg verwerken. Dit kan leiden tot grote schade in de plant, waarbij zogenaamde vrije radicalen chemische schade toebrengen aan eiwitten en lipiden zodat weefsels afsterven.

Om te voorkomen dat het volgende pakketje geabsorbeerd zonlicht bij het reactiecentrum wordt afgeleverd terwijl het vorige pakketje nog niet is afgewerkt, zetten de planten diverse beschermingsmechanismen in waarbij het geabsorbeerde licht deels wordt omgezet in warmte die verder geen schade kan aanrichten.

Bescherming tegen overdosis zonlicht

In Nature Plants vertelt het onderzoeksteam onder leiding van prof. Herbert van Amerongen, hoogleraar Biofysica, over hun spectaculaire ontdekking van de werking van een systeem dat de plant tegen een overdosering aan zonlicht beschermt (het fotoprotectiesysteem NPQ).

Voor het inschakelen van de bescherming activeert de plant diverse enzymen. Dat blijkt tientallen seconden tot minuten te duren. In fluctuerend licht, zoals bij bladeren in de wind, kan dit leiden tot kostbare energieverliezen. Hoe belangrijk het in- en uitschakelen van de bescherming is, toonden 1,5 jaar geleden onderzoekers in de VS aan. Zij lieten zien dat gemodificeerde tabaksplanten, waarbij het in- en uitschakelproces aanzienlijk was versneld, leidden tot een vijftien procent hogere productie van biomassa.

Plant schakelt toch snel om

Het onderzoeksteam van het Wageningse Laboratorium voor Biofysica in Wageningen hebben nu samen met collega’s uit Litouwen ontdekt dat een belangrijk deel van het omschakelingsproces veel sneller verloopt dan tot dusverre werd aangenomen. Het aanzetten duurt weliswaar in eerste instantie tientallen seconden maar als de bescherming eenmaal aanstaat blijkt het systeem grotendeels vrijwel onmiddellijk te kunnen reageren op de toestand van het reactiecentrum.

Beperkt energieverlies

Is het reactiecentrum nog bezig met het vorige energiepakketje dan wordt de nieuw aangeleverde energie omgezet in warmte; is echter het reactiecentrum beschikbaar dan vervalt een veel kleinere fractie tot warmte en blijft het energieverlies beperkt.

Fotosynthese 2.0

WUR werkt momenteel samen met 51 andere instituten uit 17 EU landen aan een nieuw onderzoeksvoorstel: Fotosynthese 2.0. In 2050 zullen we genoeg voedsel moeten produceren om tien miljard mensen te voeden. Dit betekent dat we twee keer zoveel voedsel moeten produceren om voedselzekerheid te garanderen. Maar hoe gaan we dat doen zonder de aarde uit te putten?

De resultaten van het fotosynthese-onderzoek van prof. Van Amerongen laten zien dat de gangbare modellen van fotosynthese niet juist zijn en dat planten efficiënter met licht omgaan dan voorheen gedacht werd. Deze bevinding schept verbeterde inzichten om via het fotosyntheseproces tot verhoogde productie te komen. Daarbij gaat het niet alleen om voedselgewassen, maar ook om minder voor de hand liggende planten en andere fotosynthetische organismen.

Het lijkt er namelijk op dat dit beschermingsmechanisme veel minder effectief is in algen en microalgen. ‘Veredeling’ van deze organismen door de introductie van dit mechanisme in hun fotosynthetisch apparaat schept verbeterde mogelijkheden om deze ‘gewassen’ te benutten voor bio-energie en waardevolle chemische producten.