Fotosynthese, de groene motor voor een duurzame wereld

“Op dit moment is de plantaardige fotosynthese waarschijnlijk optimaal onder de natuurlijke omstandigheden in het wild. Maar wellicht kan ze worden geoptimaliseerd voor teeltomstandigheden,” vertelt Mark Aarts, persoonlijk hoogleraar aan het Laboratorium voor Erfelijkheidsleer van Wageningen University & Reesearch. “Het is een delicaat en toch nogal agressief proces met energiestromen die gevaarlijk kunnen zijn. Daardoor zijn er veel beschermende mechanismen om dit proces onder controle te houden. Dit verloopt waarschijnlijk optimaal onder natuurlijke omstandigheden in het veld. Gewassen worden echter vaak onder meer gecontroleerde omstandigheden verbouwd, op de akker of in de kas. Dit betekent dat ze misschien zonder een aantal van de beschermende mechanismen kunnen, zeker als de productie erdoor begrensd wordt,” aldus Aarts.

Onder optimale omstandigheden is er weinig verschil in de fotosynthese-efficiëntie. Door stress, denk daarbij bijvoorbeeld aan overmatige kou, hitte of droogte, kunnen er echter aanzienlijke verschillen in efficiëntie ontstaan. Daarop kunnen we selecteren. Het huidige onderzoek wordt uitgevoerd met Arabidopsis, oftewel zandraket. Alle genen van deze modelplant zijn namelijk in kaart gebracht en de DNA-sequentie ervan is precies bekend.

In de landbouw presteert de fotosynthese niet optimaal. We hebben de voorouders van onze huidige gewassen gewoon opgeduikeld uit het wild en op onze akkers geplant. Deze planten hebben nooit de tijd gehad om zich aan te passen aan hun nieuwe omgeving en de fotosynthese te verbeteren. Uit modellen blijkt dat fotosynthese in een gewas wel vijf keer efficiënter zou kunnen zijn. En een verdubbeling is al genoeg voor de voedselzekerheid!

Door verhoging van de fotosynthese-efficiëntie in gewassen kan de opbrengst van de landbouw drastisch toenemen. Dan kunnen we genoeg eiwitten produceren voor gebruik als voedsel en diervoeder, en zo de toekomstige voedselproductie veiligstellen. Tegelijkertijd kunnen we voldoende biomassa produceren om onze fossiele economie te vervangen door een bio-economie, zodat de uitstoot van fossiele koolstof naar de atmosfeer beëindigd wordt. Ook levert een verhoging van de landbouwproductiviteit een aanzienlijke bijdrage aan het opnieuw binden van CO₂ uit de atmosfeer.

Optimalisatie van de fotosynthese is ingewikkeld. Het is dus lastig om te vinden wat de genetische component van de variatie in fotosynthese is. Maar uit onderzoek is gebleken dat het kan.

Natuurlijke genetische variatie voor fotosynthese

Onderzoekers van WUR, onder leiding van Mark Aarts en Jeremy Harbinson, hebben bij planten natuurlijke genetische variatie voor fotosynthese gevonden. Momenteel zijn ze bezig om deze variatie op DNA-niveau in kaart te brengen. Als gevolg hiervan kunnen er in de toekomst gewassen met een efficiëntere fotosynthese veredeld worden. De opbrengst van zulke gewassen is hoger en ze kunnen meer CO₂ uit de lucht vastleggen in de bodem.

Proces met 140 stappen

Er is al tientallen jaren onderzoek gedaan naar het 140 stappen tellende proces waarmee planten zonlichtenergie omzetten in voedsel. Daaruit zijn specifieke inefficiënties in gewassen naar voren gekomen, zo blijkt uit baanbrekend onderzoek van Prof. Stephen Long aan de universiteit van Illinois en de Universiteit van Lancaster, dat is gepubliceerd in Science onder de titel Improving photosynthesis and crop productivity by accelerating recovery from photoprotection (‘Verbetering van de fotosynthese en gewasproductiviteit door versnelling van het herstel van fotoprotectie’). Er bestaan factoren waardoor het omzetten van energie uit zonlicht in voedsel wordt belemmerd. De onderzoeksgroep van Long heeft een van die knelpunten aangepakt. In een experimenteel gewas leverde dit een 15 procent hogere opbrengst op.

Efficiëntieverbetering door het toevoegen van genen

Christine Raines, hoogleraar Plant Molecular Physiology aan de Universiteit van Essex, heeft samen met Rothamsted Research en de Universiteit van Lancaster gewerkt aan het verbeteren van de fotosynthese-efficiëntie. Dit deed ze door genen toe te voegen uit de stijve dravik, een grassoort. De nieuwe genetisch gemodificeerde tarwe bleek beter koolstofdioxide te assimileren dan conventionele tarwe. De opbrengst ervan lag tot 40 procent hoger. Dit onderzoek (Genetically modified "superwheat" could boost yields by 40%) is uitgevoerd in de kas. Er worden veldproeven verwacht in 2017.

We weten dat het mogelijk is om de fotosynthese te verbeteren. Maar er is nog onderzoek nodig om het volledige potentieel te verkennen en te benutten, en om het op wereldwijde schaal te laten werken in alle belangrijke gewassen.

We moeten onze ‘gewassen voor de toekomst’ ontwerpen en ontwikkelen, waarbij hogere opbrengsten worden gecombineerd met een efficiënter gebruik van hulpbronnen: minder gebruik van water, mineralen en energie. Ook moeten deze gewassen klimaatbestendig worden! En ze moeten over de hele wereld verkrijgbaar zijn.