Planten reageren traag op wisselingen in de lichtsterkte. Op het veld en in de kas leidt dat tot duidelijk productieverlies. Het is nu gelukt de reactiesnelheid te verbeteren. Weliswaar door genetische modificatie, maar de betreffende genen zitten in iedere plant, zodat veredelaars een goed aanknopingspunt hebben voor veel efficiënter assimilerende gewassen. Dit is een echte doorbraak.
[wcm_nonmember]
Voor het bekijken van deze content heeft u een lidmaatschap nodig, of log in als u al een lidmaatschap heeft.
[/wcm_nonmember]
[wcm_restrict]
Planten hebben licht nodig voor de fotosynthese, maar een teveel aan licht kan juist het fotosynthese-apparaat beschadigen. Daarom hebben ze allerlei manieren ontwikkeld om zich te beschermen. Eén van die verdedigingslinies heet non-photochemical quenching (NPQ), wat neerkomt op een veilige omzetting van het teveel aan zonne-energie in warmte. Meerdere processen samen zorgen voor het NPQ-effect.
Minder productie
Cruciaal voor de fotosynthese zijn fotosystemen met ‘antennes’ waarmee ze het licht opvangen. Bij te veel licht veranderen deze antennes heel snel van vorm en geven vervolgens het teveel aan energie af als warmte. Zo wordt het fotosysteem efficiënt beschermd als er plotseling meer licht is, bijvoorbeeld in een zonnevlek in de kas.
In die toestand verloopt de fotosynthese wel veel minder efficiënt. Wanneer het licht weer afneemt, moeten de antennes eigenlijk snel terug naar de oorspronkelijke vorm om het beschikbare licht maximaal te kunnen benutten. Maar die terugschakeling verloopt juist nogal langzaam: het kan wel 10 à 15 minuten duren. Zo loopt de plant constant achter de feiten aan. In de kas kan het lichtniveau plaatselijk namelijk heel snel wisselen. Bladeren bewegen en beschaduwen elkaar; er kan een wolk overdrijven en de zonhoogte verandert gedurende de dag.
Doordat de bescherming tegen te veel licht te lang ‘aan blijft staan’, kan het gewas minder efficiënt CO2 vastleggen dan wanneer de bescherming precies op het goede moment ‘aan’ of ‘uit’ zou gaan. Dat kan wel 20% productie schelen ten opzichte van de ideale situatie.
Genetische veranderingen
Onderzoekers van de University of Illinois hebben een manier ontwikkeld om de terugschakeling sneller te laten verlopen, zonder de bescherming bij te veel licht te verminderen. Het is bekend dat een grotere hoeveelheid van het eiwit PsbS via interactie met de lichtopvangende antennes zowel de omschakeling als de terugschakeling sterk bevordert. Door genetische modificatie hebben ze ervoor gezorgd dat er meer van dit eiwit wordt gevormd.
Zoals gezegd zorgen meerdere processen samen voor de bescherming door warmteontwikkeling (NPQ): ook bepaalde pigmenten ondergaan een omzetting bij een teveel aan licht. Er wordt zeaxanthine gevormd, dat voor een hoger NPQ-niveau zorgt (dus meer afleiding van te veel energie). Maar dit pigment (dat overigens ook een belangrijke rol speelt bij de lichtgevoeligheid van onze ogen) zorgt er tevens voor dat de terugschakeling langzamer verloopt. Dus op dit vlak moet eveneens iets gebeuren, wil je het hele systeem sneller later reageren. De onderzoekers hebben daarom nog twee genetische veranderingen aangebracht. Die zorgen ervoor dat het enzym dat de productie van zeaxanthine stimuleert meer aanwezig is en ook het enzym dat de afbraak weer bevordert.
De drie genetische veranderingen maken samen dat de bescherming tegen te veel licht meer als een aan/uit-schakelaar gaat functioneren (zie figuur).
Betere CO2-vastlegging
Veel van de achterliggende mechanismen waren al min of meer bekend – ook in Wageningen is onderzoek gedaan op dit vlak (zie www.onderglas.nl/digitaal, december 2014, pagina 20-21 en maart 2016, pagina 12-13). De Amerikaanse onderzoekers hebben echter voor een doorbraak gezorgd door de genen bij tabaksplanten te veranderen en ze vervolgens zowel op het veld als in de kas te telen. Onder teeltcondities bleek dat de gehaltes aan PsbS en de twee pigmenten inderdaad beduidend hoger waren. Dat resulteerde in een betere CO2-vastlegging en daardoor een hogere productie. Toen de planten 6-7 weken oud waren, zijn ze geoogst. Het drooggewicht van de gemodificeerde planten bleek 14 tot 20% hoger dan dat van de controleplanten. Ook waren ze hoger en hadden ze grotere, bredere bladeren. De effecten deden zich in het veld én in de kas voor.
Meer pigment
Uit metingen in het lab bleek verder dat de gewone, niet-aangepaste planten beduidend meer NPQ vertoonden dan de gemodificeerde als het lichtniveau snel wisselde. Bij een constant lichtniveau – zowel hoog als laag – was er echter geen verschil. Dit betekent dus dat de genetisch gemodificeerde (gm) tabaksplanten veel sneller hun apparaat aan het heersende lichtniveau konden aanpassen zonder dat het ten koste ging van de bescherming.
De vraag is natuurlijk waarom zulke efficiëntere planten niet in de natuur zijn ontstaan. Bij langdurig te veel licht neemt het gehalte van het eiwit PbsB in gewone planten wel toe (wat de efficiëntie vergroot), maar tegelijkertijd wordt er meer pigment aangemaakt (wat voor meer bescherming zorgt). Het lijkt er dus op dat de natuurlijke selectie meer bescherming bevoordeelt boven efficiëntere fotosynthese. In de natuur heeft overleven van de plant prioriteit.
Maatschappelijk draagvlak
Het onderzoek heeft de afgelopen tijd zeer ruime aandacht gekregen, onder andere in de prestigieuze wetenschappelijke tijdschriften Science en Nature. Er is inmiddels voldoende bewijs dat de fotosynthese zelf te verbeteren valt. Hoe snel dat leidt tot sterk verbeterde kasgewassen, hangt onder andere af van wetgeving over gm-methoden. In de VS is het maatschappelijk draagvlak voor zulke gewassen veel groter dan in de EU.
Maar het gaat om genen die in alle planten zitten; ook zonder gm-technieken zijn de verbeteringen daarom wel te bereiken. Het zal 10 à 15 jaar duren voor er zo’n hoogproductief gewas kan worden geïntroduceerd bij gebruik van gm-technieken. Via andere (niet-gm) veredelingsroutes zal dat waarschijnlijk langzamer gaan.
Fundamenteel onderzoek
De veredelingswereld heeft in ieder geval erg veel belangstelling voor de onderzoeksresultaten en er lopen besprekingen over samenwerking om de resultaten door te ontwikkelen in nieuwe hoogproductieve gewassen.
Dit is een duidelijk voorbeeld hoe heel fundamenteel onderzoek grote consequenties kan hebben voor de productie. Eerder waren dit soort doorbraken nog niet mogelijk, omdat de moleculaire technieken en de genetische instrumenten niet beschikbaar waren om enerzijds de mechanismen te achterhalen en anderzijds ze zodanig aan te passen dat ze beter functioneren.
Samenvatting
Het mechanisme waarmee planten zich beschermen tegen een te hoog lichtniveau gaat ten koste van de productie. Ze reageren te traag op lichtwisselingen. Onderzoekers van de Universiteit van Illinois hebben tabaksplanten genetisch veranderd zodat ze wel beschermd zijn maar sneller hun fotosyntheseapparaat aanpassen aan het lichtniveau. Daardoor produceerden jonge tabaksplanten 15% meer.
Tekst: Wanne Kromdijk (University of Illinois), Tijs Kierkels en Ep Heuvelink (Wageningen University & Research). Foto’s: University of Illinois en Wilma Slegers
[/wcm_restrict]