Betere fotosynthese: Gewassen die 2x meer produceren weer een stapje dichterbij

Nieuws

Gewassen die 2x meer produceren weer een stapje dichterbij

Gepubliceerd op
10 november 2017

Onderzoekers van Wageningen University & Research hebben natuurlijke genetische variatie voor fotosynthese in planten gevonden en deze ontrafeld tot op het DNA-niveau. Dit betekent dat we in de toekomst gewassen kunnen gaan veredelen die beter gebruik kunnen maken van fotosynthese. Daardoor kunnen ze meer gaan opbrengen en meer CO2 uit de lucht vastleggen in de bodem. Dit is een belangrijke stap op de lange weg naar het oplossen van het wereldvoedselprobleem en het behalen van het klimaatakkoord van Parijs.

Een team van onderzoekers, onder leiding van Prof. Mark Aarts en Dr Jeremy Harbinson, toont aan dat de Zandraket (een bekend modelplantje), verschillende genen bezit die betrokken zijn bij de aanpassing aan een verandering in de hoeveelheid licht die de plant krijgt. Dit onderzoek is gepubliceerd in een artikel in Nature Communications.

Sommige gaan beter om met lichttoename

Eén gen hebben ze in detail onderzocht. Dit gen, het Yellow Seedling 1 gen, is betrokken bij de aanpassing van bladgroenkorrels aan een verandering in licht. Een variant van dit gen zorgt ervoor dat sommige Zandraketplanten beter om kunnen gaan met een toename van licht (zoals bijvoorbeeld het verschil tussen een bewolkte en een zonnige dag), dan de andere planten. Dergelijke variatie is nu voor het eerst bij Zandraket gevonden, maar aangezien de genen voor fotosynthese bij vrijwel alle plantensoorten voorkomen, verwachten de onderzoekers dat dergelijke variatie ook bij veel gewassen gevonden kan worden.

Veredeling op verbeterde fotosynthese

Deze ontdekking laat zien dat het mogelijk is om fotosynthese te verbeteren op basis van natuurlijke genetische variatie, iets dat aanvankelijk betwijfeld werd. Door veredeling op verbeterde fotosynthese zouden gewassen op termijn met dezelfde hoeveelheid grond, water, voedingsstoffen meer opbrengst kunnen leveren, waardoor het adagio “meer” (opbrengst) “met minder” (grond, water en voedingstoffen)”, weer een stapje dichterbij is.

Plants can genetically adapt to fluctuating environments

Sommige planten stemmen fotosynthese af

Planten hebben licht nodig om CO2 en water om te zetten in suikers en zuurstof. De suikers vormen de basis en energiebron voor alle stoffen die een plant maakt om te kunnen groeien. We weten al langer dat planten verschillend kunnen reageren op licht en dat zien we terug in de efficiëntie van hun fotosynthese. De voorouders van de gewassen die wij dagelijks eten, hadden deze variatie nodig om optimaal gebruik te maken van de verschillende plekken waar ze opgroeiden. Daardoor waren ze in staat om zowel in de volle zon als ook in de schaduw van andere planten, toch tot ontwikkeling te komen.

Fotosynthese is voor planten een essentieel proces, maar ook niet zonder gevaar. Het vergt veel controle om de energiestromen in de hand gehouden worden. Bij plotseling te veel licht moet de plant zich aanpassen aan de nieuwe situatie. Planten beschermen zich over het algemeen tegen een overmaat aan fotosynthese door aan allerlei veiligheidsmarges vast te houden, waardoor deze aanpassing enige dagen duurt. Het werk van de Wageningse onderzoekers laat nu zien dat sommige planten dat sneller kunnen doen dan andere, en dus eerder hun fotosynthese-systeem weer afgestemd hebben op hun omgeving.

Met veredeling is fotosynthese te verbeteren

Tegenwoordig telen we gewassen in een omgeving die we veel beter kunnen controleren dan de oorspronkelijke, natuurlijke condities. Planten krijgen nu bijvoorbeeld voldoende voedingsstoffen en water, afgestemd op een maximale groei. Door de snelle ontwikkelingen in de landbouw de afgelopen 100 jaar, hebben planten nog niet de tijd gekregen zichzelf aan te passen aan deze nieuwe omstandigheden. Ze zijn als het ware nog wat voorzichtig en reageren relatief traag op plotselinge veranderingen, zoals een overmaat aan licht. Planten die zich sneller kunnen aanpassen aan veranderende licht-omstandigheden zullen echter efficiënter gebruik kunnen maken van het beschikbare water met voedingsstoffen en uiteindelijk meer kunnen opbrengen.

Maar hoe kan het dat er door veredeling nog maar zo weinig geselecteerd is op efficiëntere fotosynthese? Lang werd gedacht dat fotosynthese van nature geoptimaliseerd was en dat er weinig eer meer aan te behalen was door veredeling. Bovendien is het erg moeilijk om de genetische bijdrage aan de variatie in fotosynthese van planten in het veld te meten. Dit heeft weer tot gevolg dat het lastig is om er zonder voorkennis op te selecteren. Juist omdat fotosynthese zo gevoelig is voor de weersomstandigheden, is de variatie in het veld, ook tussen genetisch identieke planten, vaak aanzienlijk.

"Wij hebben onze experimenten onder heel goed gecontroleerde omstandigheden gedaan waardoor de variatie in omgevingsfactoren heel laag gehouden kon worden." vertelt Aarts. "Vervolgens hebben we van alle planten in het experiment op verschillende momenten in de dag, op een identieke manier, de fotosynthese gemeten, en maar één stressfactor toegepast, een éénmalige verhoging van de hoeveelheid licht. Daarmee hebben we nauwkeurig de genetische bijdrage aan de aanpassing van planten aan deze stressvolle nieuwe situatie, kunnen bepalen. Van één van de genen die we hiermee vonden hebben we in detail de variatie in DNA-volgorde tussen de verschillende planten onderzocht.".

Nieuwe mogelijkheden, nieuwe gewassoorten

Deze ontdekking brengt nieuwe mogelijkheden voor veredelingsbedrijven. We weten nu dat planten elk op hun eigen manier reageren op variatie in licht en dat dit vastligt in het DNA van de plant, maar hoe deze aanpassingen precies werken in de plant weten we nog niet. We zullen meer onderzoek moeten doen om te achterhalen hoe een verbeterde fotosynthese de groei van de plant beïnvloedt. Dan kunnen we hier gericht op gaan selecteren.