Optimale fotosynthese verhoogt de voedselproductie

De heilige graal om de voedselproductie te vergroten ligt bij de fotosynthese. Daar zijn meerdere wetenschappers het over eens. Het proces waarmee de plant aan energie komt, kan namelijk veel efficiënter. Onlangs lukte het om veertig procent meer biomassa te krijgen uit planten door de fotosynthese te verbeteren met genetische aanpassingen.

“Fotosynthese is de basis voor al het leven op aarde, maar het kan nog beter”, vertelde Roberta Croce, hoogleraar biofysica van fotosynthese aan de Vrije Universiteit, vorig jaar aan Biotechnologie.nl toen zij een NWO TOP-subsidie binnenhaalde. “Ik ben met name geïnteresseerd in de reacties met licht. Ik probeer te begrijpen hoe planten licht omzetten in energie en ik wil dat proces efficiënter maken.” Maar er zijn meer onderdelen waar de fotosynthese te optimaliseren is. Amerikanen richtten zich op een ander deel van de fotosynthese en wisten hiermee de productie van tabaksplanten te verhogen. Wij spraken Croce hierover: “Zij focussen op de donkerreactie, ik op de lichtreactie. Als we die allebei verbeteren krijgen we een hele efficiënte plant.”

Herverdeling van licht

Het opvangen van licht is de eerste stap in fotosynthese. Boven in de toppen vangen de bladeren veel licht, te veel zelfs. Chlorofyl, een stof in de bladgroenkorrels, vangt dit licht op om hier uiteindelijk energie uit te halen. “Ik zoek planten die minder chlorofyl hebben, dat is beter voor in de toppen.” Daarnaast zoekt Croce een weg om planten infrarood licht te laten gebruiken. “De toppen vangen al het zichtbare licht weg, waardoor de bladeren daaronder geen licht krijgen. Als we ervoor kunnen zorgen dat planten ook infrarood licht kunnen gebruiken voor fotosynthese, dan hebben de bladeren onder de toppen daar baat bij. De toppen laten infrarood licht namelijk door.” Dankzij deze aanpassingen kan een plant het licht overal zo goed mogelijk gebruiken.

Uitgelicht door de redactie

In memoriam Sanne Deurloo

Geneeskunde
Een vreemde ontmoeten en levens redden op Lowlands

Biologie
Piemels en doodskisten tussen de Lowlands-optredens

Antifotosynthese

Voor de fotosynthese is niet alleen licht nodig. De tweede stap in de fotosynthese is het maken van glucose uit koolstofdioxide. Amerikaanse onderzoekers publiceerden in vakblad Science hoe zij het koolstofdioxidegebruik van planten kunnen verbeteren, en dat is hard nodig. Er zijn namelijk een aantal plantensoorten, waaronder rijst, soja en aardappel, waarbij soms een soort ‘antifotosynthese’ ontstaat. Hierbij komt er juist koolstofdioxide vrij en gaat er energie verloren, in plaats van dat er koolstofdioxide gebruikt wordt om energie te produceren. Dit heet fotorespiratie.

Fotorespiratie heeft alles te maken met het enzym rubisco. Rubisco stopt namelijk koolstofdioxide in de calvinscyclus, de scheikundige cyclus waarbij een plant glucose maakt. Helaas voor een plant pakt rubisco in ongeveer twintig procent van de gevallen zuurstof in plaats van koolstofdioxide, melden de Amerikaanse onderzoekers. Hierdoor komen er stoffen vrij die toxisch zijn voor de plant. Het opruimen ervan kost extra veel energie.

De vier rechter tabaksplanten zijn genetisch gemodificeerd. Verbetering van de fotosynthese verhoogde de biomassa met veertig procent.
Claire Benjamin/RIPE Project

Shortcut

Deze fotorespiratie gaat normaal via drie compartimenten van de plantencel. Het legt daarmee een lange route af, waarmee er een grote kans ontstaat om fouten te maken. De onderzoekers uit Illinois wisten deze route drastisch in te korten met behulp van genetische modificatie. Ze voegden genen toe van een e.coli- bacterie en algen om zo een kortere alternatieve route voor fotorespiratie uit te stippelen. Daaruit kon de plant zoveel meer energie halen, dat de biomassa toenam met wel veertig procent.

Biedt biotechnologie een oplossing om de voedselproductie te verhogen? Croce is overtuigd: “Deze publicatie in Science laat zien dat het verbeteren van fotosynthese mogelijk is en dat daarmee de productie van de plant omhoog kan. Veelbelovend, want dit is slechts het begin. De auteurs richtten zich op één stap in de fotosynthese en er zijn nog meer stappen van de fotosynthese die we kunnen verbeteren. Wij werken zelf aan het verbeteren van de lichtabsorptie door planten. Als we die verbeteringen straks combineren hebben we geoptimaliseerde fotosynthese waardoor we planten creëren met een veel hogere productie.”

Bron

Paul F. South e.a., Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate crop growth and productivity in the field, Science. 4 januari 2019

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink, en hoort bij het thema Voedsel produceren op Biotechnologie.nl.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden