Fotosynthese krijgt duwtje in de rug

Planten toveren licht en koolstofdioxide (CO₂) om tot voeding. Dat proces, de fotosynthese, wordt vertraagd door tekorten aan materiaal en machinerie. Eigenlijk is dat goed nieuws voor ons, want het betekent dat de groei van voedingsgewassen een boost krijgt als we dat mechanisme smeren. Uitvissen hoe dat precies kan, is de focus van het project RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency), een internationale samenwerking tussen universiteiten, onder leiding van de Universiteit van Illinois.

‘Een fabriekslijn is maar zo snel als haar traagste onderdeel. Dat geldt ook voor de verschillende stappen van de fotosynthese. Wij zochten uit welke stappen het proces vertragen en pasten vervolgens de plant aan. Die maakt daardoor meer ‘machinerie’ aan, waardoor zijn fotosynthese versnelt’, verklaart Patricia Lopez-Calcagno. Zij leidde dit onderzoek en is bioloog aan de Universiteit van Essex. Tijdens een eerdere studie voor het RIPE-project analyseerden onderzoekers alle 170 stappen van de fotosynthese. Twee stappen werden tijdens de huidige studie geoptimaliseerd.

Onderzoeker Phillip Davey meet de fotosynthese tijdens een veldproef. Credit: Brian Stauffer/University of Illinois

Trage bezorger

Het eerste probleem doet zich voor tijdens het eerste deel van de fotosynthese, waarbij de plant lichtenergie omzet in chemische energie. Daarbij bezorgt een eiwit genaamd ‘plastocyanine’ elektronen aan het fotosysteem, waar de transformatie plaatsvindt. Het probleem is dat plastocyanine erg aangetrokken wordt door het eiwit dat het elektron van hem moet overnemen. Een beetje zoals het stereotype van de melkboer die aan de deur komt bij schaarsgeklede huisvrouwen. Na aflevering van het elektron hangt de plastocyanine langer rond dan nodig, waardoor het elektronentransport minder efficiënt verloopt. Dat probleem loste het onderzoeksteam op door met genetisch knip-en-plakwerk de plant een ander transporteiwit te laten aanmaken om plastocyanine te helpen. Het ging om cytochroom 6a, een eiwit dat de rol van bezorger vervult bij algen.

Het tweede proces dat het team versnelde, vindt plaats wanneer de plant de koolstof (C) uit CO₂ verankert in suikermoleculen. De onderzoekers leenden genen van andere planten en bacteriën om de productie van een cruciaal enzyme, SBPase, te verhogen. De combinatie van die twee verbeteringen leverde productievere gewassen op. De plantengroei verbeterde met 52 procent in een broeikas en met 27 procent in het veld. Vooral dat laatste getal is representatief voor de groeiomstandigheden in de praktijk.

Onbehandeld (links), versus één (midden) en twee (rechts) aanpassingen. Credit: RIPE Project/Claire Benjamin

Zuinig met water

De testplantjes groeiden niet alleen beter, ze dronken ook minder. ‘Tijdens onze proeven in het veld stelden we vast dat de planten minder water verbruikten, terwijl ze wél beter groeiden’, zegt onderzoeker Christine Raines (Universiteit van Essex). ‘Hoe dat precies komt is voor ons nog onduidelijk. In de toekomst zoeken we uit welk mechanisme erachter zit.’

Tijdens het RIPE-project ontdekten onderzoekers eerder al hoe planten zich beter kunnen aanpassen aan veranderingen in de hoeveelheid licht en verbeterden ze nog een ander knelpunt van de fotosynthese. Daarover zegt Stephen Long, de directeur van RIPE en plantenfysioloog aan de Universiteit van Illinois, het volgende: ‘Volgens onze modellen kan een combinatie van alle verbeteringen die we ontdekten de oogst vergroten met vijftig tot zestig procent.’

Voorlopig zijn deze technieken slechts getest op een enkel gewas: de tabaksplant. Die plant doet vaak dienst als modelsoort, omdat ze gemakkelijk behandeld, geteeld en getest kan worden. Nu moeten de wetenschappers hun bevindingen nog vertalen naar voedingsgewassen zoals rijst, soja, maïs, maniok of peulvruchten.

Het onderzoek¹ is gepubliceerd in Nature.

De combinatie van de twee aanpassingen verbeterde de groei in een broeikas met 52 procent.

Noten

1. onderzoek: López-Calcagno, P.E., Brown, K.L., Simkin, A.J. et al. Stimulating photosynthetic processes increases productivity and water-use efficiency in the field. Nat. Plants 6, 1054–1063 (2020). https://doi.org/10.1038/s41477-020-0740-1