Fotosynthetische hacks kunnen opbrengst verhogen en water besparen
Planten zijn fabrieken die de opbrengst van licht en kooldioxide produceren. Onderdelen van dit complexe proces, dat fotosynthese wordt genoemd, worden echter gehinderd door een gebrek aan grondstoffen en machines. Om de productie te optimaliseren, hebben wetenschappers van de Universiteit van Essex twee belangrijke fotosynthetische knelpunten opgelost, waardoor productiviteit van de zonne-energiefabriek onder veldomstandigheden wordt verhoogd en de opbrengst met 27 procent toeneemt. Bovendien bespaart het ook nog water. Juist in de drogere en minder vruchtbare gebieden op de wereld zou deze nieuwe ontwikkeling weleens een game changer kunnen zijn in het waarborgen van regionale voedselvoorziening. De studie is gepubliceerd in Nature Plants en het is de derde doorbraak voor het onderzoeksproject Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE).
Het RIPE-project is een internationale inspanning onder leiding van de Universiteit van Illionois om productievere gewassen te ontwikkelen door de fotosynthese te verbeteren en kooldioxide te fixeren in suikers om zo de groei en opbrengst te verhogen. RIPE wordt gesteund door de Bill & Melinda Gates Foundation, de U.S. Foundation for Food and Agriculture Research (FFAR), en de U.K. Government's Department for International Development (DFID).
Efficiëntere fotosynthese
In de studie heeft het team de groei en opbrengst van gewassen met 27 procent weten te verhogen door twee beperkingen op te lossen. Een beperking in het eerste deel van de fotosynthese waar planten lichtenergie omzetten in chemische energie en een in het tweede deel waar kooldioxide wordt gefixeerd in suikers. Net als een productielijn is het proces zo snel
als de traagste machines, legt Essex onderzoekster Patricia Lopez-Calcagno uit. We hebben nu enkele stappen in het fotosyntheseproces geïdentificeerd die het proces vertragen. Wat we in feite hebben gedaan, is deze plantfabrieken in staat te stellen om meer machines te bouwen en de tragere stappen in de fotosynthese te versnellen. De productiviteit van een plant neemt af wanneer de voorraden, transportkanalen en betrouwbare machines beperkt zijn. Om erachter te komen wat de grenzen van de fotosynthese zijn, hebben onderzoekers elk van de 170 stappen van dit proces gemodelleerd om vast te stellen hoe het fotosyntheseproces suikers efficiënter zouden kunnen produceren.
Bij het fotosynthese proces wordt het zonlicht eerst opgevangen en omgezet in chemische energie die gebruikt kan worden voor andere processen in de fotosynthese. Een transporteiwit, plastocyanine genaamd, verplaatst elektronen in het fotosynthesesysteem en voedt op die manier het proces. Maar plastocyanine blijkt dit werk niet helemaal efficiënte te doen. Het onderzoeksteam heeft dit eerste knelpunt aangepakt door plastocyanine te helpen met de toevoeging van cytochroom c6; een efficiënter transporteiwit dat een vergelijkbare functie heeft in algen. Plastocyanine heeft koper en cytochroom heeft ijzer nodig om te kunnen functioneren. Afhankelijk van de beschikbaarheid van deze voedingsstoffen kunnen algen kiezen tussen deze twee transporteiwitten.
Tegelijkertijd hebben de onderzoekers het fotosynthetisch knelpunt in de zogenaamde Cyclus Calvin-Benson, het proces waar kooldioxide in suikers wordt gefixeerd, verbeterd. Dit hebben ze gerealiseerd door de hoeveelheid van het belangrijk enzym SBPase te verhogen. De onderzoekers noemen dit gekscherend cellulaire vorkheftrucks van het Calvin proces en het verbetert niet alleen de efficiëntie van het omzetten van koolstof naar suikers maar ook het watergebruik.
Veldproeven
Het is uit de veldproeven gebleken dat plante
n met deze twee verbeteringen, wanneer ze gecombineerd worden, minder water gebruiken om meer biomassa te maken en de productiviteit van de gewassen in de kas met 52 procent en in het veld met 27 procent verhogen. Het onderzoek toont aan dat deze fotosynthetische hacks de gewasproductie in reële groeiomstandigheden dus kunnen stimuleren. Uit modellering blijkt bovendien dat het stapelen van deze doorbraak met twee eerdere ontdekkingen van het RIPE-project zou kunnen leiden tot een toename van de opbrengst van 50 tot 60 procent in voedselgewassen. RIPE's eerste ontdekking hielp planten zich aan te passen aan veranderende lichtomstandigheden, waardoor de opbrengst met maar liefst 20 procent steeg. De tweede doorbraak van het project was de creatie van een snelkoppeling in hoe planten omgaan met een storing in de fotosynthese. Dat bleek de productiviteit met 20 tot 40 procent te verhogen.
Tekst:Reinout Burgers Beeld: RISE
