Versnelde plantengroei door efficiëntere fotosynthese

Door klimaatverandering is er steeds minder geschikte landbouwgrond. Tegelijkertijd groeit de wereldbevolking. Daarom kijken Wageningse onderzoekers hoe gewassen minder grondoppervlak vergen. Ze hebben ontdekt dat sommige planten het licht beter benutten om te groeien dan andere. Met de kennis over natuurlijke genetische variatie bij dit proces van fotosynthese, kunnen veredelaars straks gewassen ontwikkelen die efficiënter omspringen met de beschikbare grond, water en voedingsstoffen. Vind je dit een goede manier om met de beperkte ruimte voor landbouw om te gaan?

Planten halen hun energie uit zonlicht. Met die energie zetten ze in de bladgroenkorrels water en CO₂ om in zuurstof en glucose. Glucose voedt de plant en zorgt ervoor dat die groeit. Dit proces heet fotosynthese. “Fotosynthese bestaat nu zo’n twee miljard jaar. Daarom dachten wetenschappers ook dat dit proces helemaal was uitontwikkeld en dat planten dit optimaal doen”, zegt Mark Aarts, hoogleraar Plantengenetica.

Niets blijkt minder waar. Planten blijken slechts een half tot één procent zonlicht te benutten. Maar sommige planten, zoals grijze mosterd (Hirschfeldia incana) gebruiken het zonlicht veel beter dan andere planten. Aarts: “Grijze mosterd is een koolachtige. We kennen allemaal de uitdrukking ‘Dat groeit als kool’. Misschien zit er wel iets in de koolachtigen dat maakt dat ze goed met fotosynthese om kunnen gaan.” Grijze mosterd deelt deze bijzondere eigenschap met onder meer woestijnplanten. “Als het regent in de woestijn, moeten planten meteen ontkiemen en heel hard gaan groeien. Anders redden ze het niet. Ze hebben slechts een korte levenscyclus van een paar weken”, legt Aarts uit.

“We denken dat we planten kunnen kweken die in plaats van één procent wel anderhalf procent van het zonlicht kunnen gebruiken. Dat is een enorme vooruitgang”

Mark Aarts, hoogleraar Plantengenetica

Deel deze quote:

Genetische variatie

“Ontdekken dat er plantensoorten zijn ontstaan die heel effectief omgaan met fotosynthese, zoals bij ons onderzoek naar grijze mosterd, is fascinerend”, zegt de hoogleraar Plantengenetica. Zo’n tien jaar geleden begonnen hij en plantenfysioloog Jeremy Harbinson dit verschijnsel te onderzoeken. Samen met studenten, promovendi en postdocs zagen ze niet alleen dat sommige plantensoorten anders omgaan met fotosynthese, ze ontdekten ook dat individuele planten van een en dezelfde soort daarin verschillen. De ene plant doet het beter dan de andere. Door gebruik te maken van de natuurlijke genetische variatie, is het nu zelfs gelukt om het proces van fotosynthese te verbeteren.

Bladgroen verwisselen

Aarts en zijn collega’s hebben onderzoek gedaan aan de zandraket (Arabidopsis thaliana), een hoofdrolspeler in veel plantwetenschappelijk onderzoek. Het lukte de Wageningse wetenschappers om de bladgroenkorrels van één zandraket te vervangen door die van een andere. Daarbij bleef het genetisch materiaal op de chromosomen van de plant onveranderd. Dankzij deze nieuwe techniek kunnen de onderzoekers oorspronkelijke planten vergelijken met planten met ‘nieuw’ bladgroen. Sommige nieuwe combinaties leveren planten op die beter groeien dan de oorspronkelijke combinaties.

“Met de nieuwe kennis kunnen veredelaars straks gewassen ontwikkelen die hogere opbrengsten per hectare opleveren”, verklaart Aarts. “We denken dat we planten kunnen kweken die in plaats van één procent wel anderhalf procent van het zonlicht kunnen gebruiken en dat is een enorme vooruitgang.”

Landbouwgewassen

Door droogte, verzilting en hevigere regenval door klimaatverandering is er steeds minder geschikte landbouwgrond. Met de grond die er is, moeten we dus zuiniger omgaan. Tegelijkertijd groeit de wereldbevolking naar bijna 10 miljard mensen in 2050. “Eén van de manieren om te zorgen dat er voldoende voedsel is, is om ervoor te zorgen dat planten meer produceren.” In Afrikaanse landen kan de landbouwproductie nog sterk worden verhoogd door te zorgen voor beter zaadgoed, genoeg voedingsstoffen en water, geeft de hoogleraar aan. Maar in Europa is de landbouwproductie al erg hoog en produceren we ook voor andere continenten. “Daarom is het belangrijk dat we gewassen ontwikkelen die effectiever kunnen omgaan met grondstoffen en minder grondoppervlak nodig hebben.”

Meer energie

Waarom zorgt de natuur er niet voor dat alle planten het zonlicht veel beter benutten en zo’n groeispurt maken als de grijze mosterdplant? “Dat is iets wat we graag willen weten. Er moet in de natuur een nadeel zitten aan hoge fotosynthese. We vermoeden dat het de specialisatie van plaaginsecten op zo’n goed groeiende plant in de hand werkt”, antwoordt Aarts. Maar in de landbouw kunnen plagen binnen de perken worden gehouden door een combinatie van resistente rassen en gezonde teeltmaatregelen.

Voor het zover is, is er echter nog veel fundamenteel onderzoek nodig. “Fotosynthese levert de energie voor groei en ontwikkeling van de plant. Hoe de plant daarmee omgaat is nog niet goed bekend. Bij een hogere fotosynthese kunnen de bladeren harder groeien, maar ook kan de wortel langer of dikker worden of de plant kan meer scheuten en meer bloemen maken. Planten benutten het zonlicht allemaal weer anders en dat is niet altijd even voor de hand liggend.”

Lopend onderzoek

Om meer kennis te verkrijgen over fotosynthese, werken Wageningse plantenwetenschappers aan verschillende studies. Zo is Aarts betrokken bij een EU-project naar verbeterde fotosynthese dat de genetische variatie in gerst, tomaat en mais onder de loep neemt. “We vermoeden dat daarin grote verschillen zijn, net als bij de zandraket.”

Ander onderzoek richt zich op de afstemming van planten op het licht. Bij veel zonlicht wordt een deel van de energie niet voor fotosynthese gebruikt, maar als warmte uitgestraald, legt Aarts uit. Dit proces heet non-photochemical quenching. “Op zich een heel nuttig proces om te voorkomen dat het zonlicht schade aanricht aan de fotosynthese-eiwitten. Maar op dagen dat het wisselend bewolkt is nemen planten het zekere voor het onzekere en gebruiken dit om fotosynthese op een laag pitje te zetten. Daardoor verloopt het proces van fotosynthese veel minder efficiënt dan mogelijk is.” Hoe werkt dit proces precies, welke eiwitten zijn erbij betrokken en waar blijft de energie? Collega’s van Aarts zoeken naar antwoorden in een grootschalig onderzoek met financiële ondersteuning van NWO.

Veranderend licht

NWO financiert ook het onderzoek van een aanstaande promovenda bij Aarts naar non-photochemical quenching. En recent heeft NWO een groot onderzoeksvoorstel gehonoreerd. Daarin gaat hij met collega’s uit Wageningen, Utrecht, Amsterdam en de VS, en in samenwerking met tien veredelingsbedrijven, onderzoeken wat planten doen als ze worden blootgesteld aan veranderende lichtomstandigheden. Bijvoorbeeld wanneer er een wolk voor de zon schuift, maar ook bij dagen met afwisselend slecht weer en dan weer volle zon, of door de schaduw van buurplanten. “We willen weten welke genen hiervoor belangrijk zijn en of hier ook genetische variatie in bestaat. Vervolgens gaan we kijken hoe deze genen de reactie van planten kunnen veranderen en bijvoorbeeld non-photochemical quenching kunnen verminderen, zonder schade voor het gewas. Bijvoorbeeld in een kas lijkt zo‘n beschermingsmechanisme te veel van het goede te zijn”, aldus Aarts.

Jarige universiteit
Wageningen University & Research viert op 9 maart 2020 haar 102e verjaardag, ‘Dies Natalis’ in het Latijn. Dit jaar is het thema ‘Illuminating science for transitions.’ De nadruk ligt op het belang van basiswetenschap in het domein van de levenswetenschappen. Donald Ort, hoogleraar Biologie aan de Universiteit van Illinois, bespreekt zijn fundamentele onderzoek naar fotosynthese. Verder lichten drie jonge wetenschappers een tipje van de sluier over hun wetenschappelijke werk in Wageningen.
Informatie en aanmelden

Meer lezen:

• ‘Planten opvoeren zodat ze meer oogst opleveren’ in de Volkskrant
• Artikel ‘Meer zon vangen in een plant’
• Achtergrond over het belang van onderzoek naar fotosynthese
• Over genetische variatie in fotosynthese
• Over al het Wageningse onderzoek naar fotosynthese
• Lees dit artikel in het Engels

Podcast:

• Onderzoeker Jeremy Harbinson vertelt alles over fotosynthese in de podcast ‘Makkelijk praten’ (Engels)