Tuinbouwgewassen zijn decennialang geselecteerd op een steeds hogere productie. Nu staan we op de drempel van een nieuw tijdperk. Het wordt langzamerhand mogelijk om te selecteren op de efficiëntie van de fotosynthese. Dat gaat in kleine stapjes maar bij elkaar is daardoor op termijn een productiesprong van misschien wel 50% mogelijk.
[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]
De fotosynthese is de basis van alle productie. Eigenlijk is het een verzamelterm voor een lange reeks processen in twee duidelijk te onderscheiden stappen. In de eerste stap wordt zonne-energie omgezet in chemische energie. De zonnestraling brengt elektronen op een hoger energieniveau binnen de twee fotosystemen die zich in het bladgroen bevinden. Die energie wordt vervolgens vastgelegd in energiedragers (een soort accu’s) en in de tweede stap gebruikt om kooldioxide te binden. Samen met water wordt het gebonden CO2 vervolgens vastgelegd in de vorm van suikers.
Lange tijd was de opvatting dat de efficiëntie van de fotosynthese een gegeven is. Die ligt op zo’n 0,5-1%: dit percentage van de ingevangen zonne-energie wordt omgezet in biomassa.
Genen en regeleiwitten
Hoewel onderzoek in de jaren ’80 suggereerde dat planten onder ideale omstandigheden in theorie wel 4-6% van de zonne-energie zouden moeten kunnen benutten, ontbraken de mogelijkheden om dit ook in de praktijk te brengen. Nu zijn we decennia verder en zijn twee zaken duidelijk veranderd: het inzicht in genen en regeleiwitten is sterk gegroeid en de meetmethoden zijn veel geavanceerder.
Heel kleine verschillen die vroeger aan de aandacht ontsnapten, kunnen nu wel worden gemeten. Onder optimale omstandigheden voor de plant zijn die namelijk klein en kan bovendien maar een klein percentage daarvan worden toegeschreven aan verschillen in de genetica van de planten.
Genetische verschillen
Maar onder stress-omstandigheden wordt dat heel anders. Bij een plotselinge verhoging van het lichtniveau vertoont de efficiëntie van fotosysteem II bij diverse varianten van de modelplant Arabidopsis een veel grotere variatie (de efficiëntie van dit systeem is een goede maat voor de efficiëntie van de fotosynthese als geheel).
Zo’n plotseling verhoogd lichtniveau leidt ertoe dat de efficiëntie aanvankelijk sterk daalt. Na vier à vijf dagen hebben de planten zich aangepast aan de hogere lichtsterkte en functioneren ze weer op het oude niveau. In de tussentijd hebben ze een systeem dat goed functioneerde onder laag lichtniveau, omgebouwd naar eentje dat het beter doet bij het hogere niveau. Bij deze stress – plotseling meer licht – komen opeens grotere verschillen tevoorschijn en is bovendien een groot deel daarvan toe te schrijven aan de genetische verschillen tussen de proefplanten.
Inbouw nieuwe genen
Wereldwijd zijn zo’n 25 à 30 onderzoeksgroepen bezig met de verbetering van de fotosynthese. Daaronder zijn aansprekende initiatieven als het C4-rijst project, mede gesponsord door de Bill & Melinda Gates Foundation (van de oprichter van Microsoft). De bedoeling daarvan is om het efficiëntere C4-mechanisme van fotosynthese in rijst in te bouwen, waardoor veel hogere producties mogelijk zouden zijn.
Het optimisme over verbetering van de fotosynthese heeft een duidelijke zet gekregen door de resultaten van de onderzoeksgroep van de Universiteit van Illinois, beschreven in Onder Glas april 2017. Na een analyseproces van wel 25 jaar wisten de Amerikaanse onderzoekers precies aan te wijzen waar een belangrijke rem op de efficiëntie zit. Door de inbouw van nieuwe genen (genetische modificatie) wisten ze die rem op te heffen bij tabaksplanten. Jonge planten produceerden daardoor zowel op het veld als in de kas 15% meer. Dat komt doordat ze veel sneller herstellen na een plotseling hoger lichtniveau. Overigens ging het hier om een beschermingsmechanisme voor de korte tijd (tientallen minuten) en niet om de langere termijnaanpassing (dagen).
Productiestijgingen
Bij de verbetering van fotosynthese-efficiëntie gaat het vaak om het opheffen van remmende beschermingsmechanismen of juist om gebruik maken van optimalisatieprocessen. In de natuur zijn planten geselecteerd op overleving. Ze moeten omgaan met tal van extreme omstandigheden en daardoor is, bezien vanuit tuinbouw ogen, een overmaat aan bescherming en inefficiëntie ontstaan.
Onder glas is veel van die bescherming niet nodig. Het gewas ondervindt geen droogte, koude, extreme hitte, extreem veel licht of gebrek aan nutriënten. In de kas past een gewas dat niet om de haverklap op de rem gaat staan. Het Amerikaanse onderzoek geeft een idee in welke orde van de grootte de perspectieven kunnen liggen: productiestijgingen van 10, 15, of 20%.
Verschillen in efficiëntie
Zonder genetische modificatie gaat dat stapje voor stapje. Omstreeks deze tijd publiceert het vooraanstaande blad Nature Communications het onderzoeksresultaat van een samenwerkingsverband van Erfelijkheidsleer, Tuinbouw- en Productfysiologie en Biometris, onderdelen van Wageningen University & Research. De onderzoekers hebben een aantal genetische varianten van Arabidopsis blootgesteld aan een plotseling hoger lichtniveau. Daarbij hebben ze de verschillen in efficiëntie gemeten en uiteindelijk een gen gevonden dat een deel daarvan kan verklaren.
Dat gebeurde in een proces van steeds verder inzoomen. Eerst zijn 34 QTL’s (quantitative trait loci) afgeperkt. Dat zijn gebieden in het DNA waar genen liggen die de efficiëntie mede bepalen. Vervolgens is het de kunst om te bepalen waar zo’n gen precies ligt. Ze vonden zo’n 1.500 genen die betrokken zouden kunnen zijn. Aan de hand van diverse criteria is dat ingeperkt tot 50 kandidaten. Om meer zicht te krijgen op de werking is vervolgens gezocht naar mutanten van die genen, die afwijken in de aanpassing aan het hogere lichtniveau.
Geselecteerd op overleving
Toen bleven er drie genen over, waarvan er eentje is geanalyseerd. Hij heet YS1 en bestaat in drie varianten (allelen). Deze variëren in de mate waarin ze een bepaald regeleiwit in de bladgroenkorrels (chloroplasten) aansturen. Dat regeleiwit zorgt voor een al dan niet efficiënte reactie op het veranderde licht.
Deze manier van reguleren komt ook in cultuurgewassen voor en veredelingsbedrijven kunnen er dus op selecteren. Daarnaast hebben de onderzoekers een methode ontwikkeld om ook andere relevante genen op te sporen en alvast een indicatie gegeven van mogelijke kandidaten. Daar kunnen veredelingsbedrijven mee aan de slag.
En dan zijn er nog de woestijnplanten. Die lijken zich te onttrekken aan alle logica. Als er een keer regen valt, ontwikkelen ze zich in zeer korte tijd van zaadje tot zaaddragende plant. Ze bereiken een fotosynthese-efficiëntie die twee keer zo hoog is als een ‘normale’ plant en ze zijn qua lichtniveau nauwelijks verzadigbaar.
Sequencen
Waarom deze planten dan niet bestudeerd? Zo’n vijf jaar geleden was dat nog niet mogelijk omdat men nauwelijks iets wist van deze planten. Sequencen (in beeld brengen van het volledige DNA) was toen nog heel duur. Nu kost dat een paar duizend euro en staat de deur open.
Grijze mosterd (Hirschfeldia incana) bijvoorbeeld krijgt nu veel aandacht. Dit gewas groeit bijzonder snel en heeft een aantal speciale genen, die wellicht de verklaring vormen. Een mooie bijkomstigheid: het is een familielid van de Arabidopsis, die genetisch geen geheimen meer kent, en ook nauw verwant aan de Chinese kool. De laatste mag dan wellicht ‘groeien als kool’, zijn wilde familielid gaat daar vele malen overheen.
Samenvatting
Moderne moleculaire technieken geven meer zicht op de fotosynthese. Die is in stapjes te verbeteren zodat de productie van de gewassen op termijn wel 50% hoger kan liggen. In de natuur zijn planten geselecteerd op overleving. Bezien vanuit tuinbouw ogen zijn ze inefficiënt en hebben ze een overmaat aan bescherming. Onderzoek in de VS en in Wageningen laat zien waar mogelijkheden voor verbetering liggen.
Tekst: Mark Aarts, Jeremy Harbinson, Ep Heuvelink (Wageningen University & Research) en Tijs Kierkels. Foto’s: Wageningen University & Research.
[/wcm_restrict]