Sleutelen aan de motor van de plant
Wageningen Climate Solutions
Fotografie: Shutterstock
DOOR Marion de Boo - September 2019
Willen we een oplossing voor voedselzekerheid, duurzame energiebronnen en CO2-reductie, dan moeten we onder de motorkap van de plant kijken. Wageningse onderzoekers werken aan het verbeteren van de fotosynthese om efficiëntere gewassen te telen.
Na jaren van droogte en verzengende hitte valt er ineens een stortbui in de woestijn. Planten schieten schijnbaar vanuit het niets omhoog, komen razendsnel in bloei en zetten zaad. “Veel woestijnplanten kunnen zich zo snel ontwikkelen dankzij een uiterst efficiënte fotosynthese”, zegt plantwetenschapper en biochemicus dr. René Klein Lankhorst van Wageningen University & Research (WUR). “Daar kunnen wij in de landbouw nog veel van leren.”
Zonlicht is belangrijk voor planten om voedingsstoffen en energie te produceren. Foto: Shutterstock
Fotosynthese is de groene motor van de landbouw en de basis van de voedselketen. De bladgroenkorrels in groene planten vangen zonlicht op en gebruiken de energie daaruit om uit water en koolzuurgas (CO2) uit de atmosfeer suikers te maken, die ze gebruiken om te groeien en bloeien. Hierbij komt zuurstof vrij als afvalstof.
BETERE FOTOSYNTHESE BETEKENT MEER GEWASOPBRENGST
Als de fotosynthese twee keer zo hard gaat, geven planten tweemaal zoveel opbrengst
Maar dit hele proces is weinig efficiënt. Landbouwgewassen gebruiken maar 0,5 tot 1 procent van het invallende zonlicht. Bestuursvoorzitter Louise Fresco van WUR noemt het verbeteren van de fotosynthese zelfs de heilige graal van de landbouw. “Als de fotosynthese twee keer zo hard gaat lopen, geven planten tweemaal zoveel opbrengst”, legt Klein Lankhorst uit. Hoe groter de plant, hoe meer CO2 hij opneemt. Dat roept visioenen op van CO2-slurpende velden vol snelgroeiende gewassen.
“Efficiëntere gewassen zijn goed voor het klimaat”, zegt Klein Lankhorst. “Zoals bekend staat het wereldvoedselareaal enorm onder druk. In 2050 zullen we 10 miljard monden moeten voeden. De welvaart stijgt en daarbij legt de productie van veevoer voor de groeiende veestapel steeds meer beslag op het landbouwareaal.”
Planten gebruiken zonlicht om hun eigen voedingsstoffen en energie te produceren: fotosynthese. Als we de planeet en haar groeiende bevolking duurzaam draaiende willen houden, hebben we planten nodig om veel meer voedsel, energie en biomassa te produceren dan nu het geval is.
LANDBOUWGROND WORDT EFFICIËNTER GEBRUIKT
Klein Lankhorst vervolgt: “Tegelijkertijd willen we fossiele brandstoffen – die slecht zijn voor het klimaat – uitfaseren en waar nodig vervangen door groene brandstoffen. Ook de industrie moet circulair gaan werken en overschakelen op duurzame, biobased grondstoffen. Voor groene brandstoffen en biobased grondstoffen samen is nog eens 30 procent extra wereldlandbouwareaal nodig.”
Om dit plaatje rond te krijgen zonder de laatste tropische regenwouden te kappen zullen we het beschikbare wereldlandbouwareaal veel efficiënter moeten gaan benutten, zegt Klein Lankhorst. Het verbeteren van de fotosynthese speelt daarin een sleutelrol. Met traditionele veredelingsmethoden groeien de opbrengsten wereldwijd met 1 procent per jaar, maar veel gewassen zitten langzamerhand aan hun plafond. Zo is in landen als China en Zuid-Korea de rijstopbrengst al tien jaar niet meer gestegen en de Europese tarwe-opbrengst zit al een aantal jaren op een plateau. “Het is hoog tijd voor een nieuwe aanpak. Fotosynthese is de enige eigenschap waarop nog nooit gericht is veredeld.”
Sommige planten starten hun fotosynthese veel sneller op dan andere. Veredelaars kunnen daarvan gebruik maken
Bladnerven. Foto: Shutterstock
CO2-REDUCTIE DOOR SLIMME OPSLAG
Hoe kunnen we de fotosynthese verhogen, zonder belangrijke processen in de plant te verstoren?
In hoeverre kunnen efficiëntere planten ook rechtstreeks bijdragen aan klimaatverbetering door meer CO2 uit de lucht af te vangen? “Zo werkt het niet,” zegt Klein Lankhorst. “Want als we de geoogste producten opeten, ademen we diezelfde CO2 weer uit en ook als de oogstresten op het veld liggen te rotten komt daar weer CO2 uit vrij. Dat noemen we de koolstofkringloop.”
Het helpt pas ècht als je de plantaardige biomassa niet voor voedsel gebruikt, maar voor langere tijd aan het systeem onttrekt als bijvoorbeeld bio-plastic of groene bouwmaterialen. “We experimenteren al met bio-asfalt, waarin bitumen uit aardolie als plakmiddel is vervangen door lignine uit hout. Daarmee gebruik je minder fossiele grondstoffen èn je onttrekt de in lignine opgeslagen koolstof aan de koolstofkringloop.”
FOTOSYNTHESE IN ONDERDELEN
Klein Lankhorst is programma-ontwikkelaar rondom het thema fotosynthese voor de Plant Science Group in Wageningen, waarin een groot aantal Wageningse experts op het gebied van fotosynthese samenwerkt. “Fotosynthese is heel ingewikkeld. Het is geen planteigenschap die je zomaar kunt verbeteren. Er zijn honderden genen bij betrokken. Dankzij doorbraken op het gebied van genomics, bio-informatica en het geautomatiseerd screenen van grote hoeveelheden planten op uiterlijke kenmerken (zogenoemde fenotypering) slagen we er nu in om het proces van fotosynthese op te splitsen in verschillende onderdelen, die je stuk voor stuk gericht kunt verbeteren.”
Hoe valt de fotosynthese op te voeren? Het proces kent allerlei zwakke plekken, die veredelaars stuk voor stuk zouden kunnen verbeteren. Bijvoorbeeld door de plant efficiënter te laten omgaan met wisselende lichtinval. In de natuur wisselt de lichtinval voortdurend: wolken schuiven voor de zon langs, bladeren wuiven in de wind en werpen meer of minder schaduw op onderliggende bladeren.
Als het licht feller wordt, wordt de fotosynthese geremd. De plant zet als het ware een zonnebril op. Wordt het licht gedimd, dan gaat die ‘zonnebril’ weer af. Daarbij blijken sommige plantensoorten hun fotosynthese veel sneller en effectiever weer op te starten dan andere. Veredelaars kunnen daarvan gebruik maken. In experimenten, waarbij tabaksplanten drie nieuwe genen voor efficiënter aanslaan kregen, bleek de opbrengst 15 procent hoger.
Links: De Phenovator is een robot die fotosynthese kan meten. Foto: Laya Zindel
Rechts: De Phenovator meet een paar keer per dag met hoge precisie de fotosynthese van 1440 planten, door foto’s te maken van de plantjes bij verschillende golflengten van het licht. De mate waarin de bladgroenkorrels reageren is bepalend voor de efficiëntie van de fotosynthese op dat moment. Foto: Tom Theeuwen
AANPASSING ZONDER GENETISCHE MANIPULATIE
Een tweede aanknopingspunt is het Rubisco enzym, dat een sleutelrol speelt bij de fotosynthese. Het enzym werkt nogal slordig, in een op de vijf gevallen pakt het een zuurstofmolecuul in plaats van een koolzuurgasmolecuul. Door die fout ontstaan gifstoffen. De afvoer daarvan kost de plant onnodige energie, met een langzamer groei als gevolg. Amerikaanse wetenschappers haalden in januari van dit jaar het nieuws toen ze genen uit onder meer een pompoenplant wisten in te bouwen in tabak. De opgevoerde tabaksplant ruimt zijn giftige afval beter op, verliest minder energie en wordt zo’n 40 procent zwaarder.
De opbrengst van de tabaksplant, een populair gewas onder wetenschappers, is verhoogd door verbeterde fotosynthese. Foto: Shutterstock
Klein Lankhorst: “Wij zijn nu in Wageningen druk bezig om te onderzoeken of je soortgelijke genen ook in gewassen kunt kruisen met moderne veredelingstechnieken, zonder gebruik te maken van genetische manipulatie. Wageningse onderzoekers zijn expert in de fysica van de fotosynthese, maar ook van biodiversiteit en plantenfysiologie. Dankzij die interdisciplinaire benadering kunnen wij het fotosynthese-onderzoek vanuit allerlei hoeken benaderen. Een behoorlijk aantal genen die betrokken zijn bij fotosynthese zijn inmiddels bekend. Een belangrijke vraag is nu welke genen we het beste kunnen inzetten om de fotosynthese te verhogen, zonder belangrijke processen in de plant te verstoren.”
EUROPEES ONDERZOEKSPROGRAMMA PHOTOSYNTHESIS 2.0
Terwijl een veld aardappels hooguit een 0.5 procent van het invallende zonlicht omzet in biomassa, benutten sommige wilde planten wel 4 of 5 procent van het zonlicht voor hun fotosynthese. Zoals woestijnplanten, die binnen enkele weken ontkiemen, bloeien en zaad zetten, maar ook bijvoorbeeld grijze mosterd, een wilde verwant van koolzaad. Vraag 1: Wat is hun geheim? Vraag 2: Hoe kan de landbouw daarvan gebruik maken? Om dergelijke vragen te ontrafelen wordt hard gezocht naar onder andere Europese financiering via de Framework Programma’s. In 2016 is het initiatief Photosynthesis 2.0 opgestart. Het is de bedoeling om een groot Europees onderzoeksprogramma van de grond te krijgen, met waarschijnlijk meer dan 100 partners. Als eerste stap heeft de Europese Commissie 3 miljoen euro uitgetrokken om een roadmap te laten opstellen: hoe moet zo’n groot programma vorm krijgen en hoe kijkt de samenleving daar tegenaan? Klein Lankhorst coördineert het opstellen van de roadmap.
SUPERNAUWKEURIGE METING VAN LICHTOPVANG
De Wageningse onderzoekster Emilie Wientjes kreeg onlangs een NWO Vidibeurs voor onderzoek naar de efficiëntie van de fotosynthese. “De energie uit licht is bedoeld om fotosynthese aan te drijven, maar een deel gaat altijd verloren als fluorescentie. Hoe efficiënter een blad licht gebruikt hoe sneller de fluorescentie verdwijnt," zegt Emilie. “Met behulp van korte laserpulsen weten we precies wanneer het blad licht opvangt en kunnen we op een schaal van een paar miljoenste van miljoenste seconden zien hoe snel dit licht gebruikt wordt voor fotosynthese. Hiermee kunnen we bijvoorbeeld de natuurlijke variaties in lichtopvang-efficiëntie van verschillende plantensoorten vergelijken.” Deze kennis kan bijdragen aan het verbeteren van fotosynthese in gewassen.
