Wetenschappers van Wageningen University &Research hebben natuurlijke genetische variatie voor fotosynthese in planten gevonden en ontrafelen deze tot op DNA-niveau. Daardoor moet het in de toekomst mogelijk zijn om gewassen te telen die fotosynthese beter gebruiken, hun opbrengst verhogen en ze in staat stellen meer CO2 uit de lucht in de bodem af te vangen. Dit is een grote stap op de lange weg naar het oplossen van wereldwijde voedseluitdagingen en het realiseren van het klimaatakkoord van Parijs.

Onder leiding van Mark Aarts en Jeremy Harbinson, een team van wetenschappers heeft aangetoond dat zandraket (een veelvoorkomende modelplant) verschillende genen heeft die betrokken zijn bij de aanpassing aan veranderingen in de hoeveelheid licht waaraan planten worden blootgesteld. Hun studie is gepubliceerd in een artikel in Natuurcommunicatie .

Eén gen is al in detail bestudeerd. Bekend als het Yellow Seedling 1-gen, het is betrokken bij de aanpassing van chloroplasten aan lichtveranderingen. Door een variatie in dit gen, sommige zandraketplanten kunnen wel wat meer licht aan (het verschil tussen een bewolkte en een zonnige dag, bijvoorbeeld) beter dan anderen. Het is de eerste keer dat deze variatie is gevonden in zandraket, maar aangezien de genen voor fotosynthese in bijna alle plantensoorten voorkomen, de wetenschappers verwachten dat een vergelijkbare variatie ook in veel andere gewassen te vinden is.

De ontdekking laat zien dat het mogelijk is om fotosynthese te verbeteren op basis van natuurlijke genetische variatie, iets waar tot nu toe aan getwijfeld werd. Op de lange termijn, fokken op verbeterde fotosynthese kan ervoor zorgen dat gewassen meer opbrengst opleveren met dezelfde hoeveelheid grond, water en voedingsstoffen. Dit brengt het concept van 'meer' (opbrengst) 'met minder' (bodem, water en voedingsstoffen) een stap dichterbij.

Sommige planten passen hun fotosynthesesysteem aan

Planten hebben licht nodig om CO2 en water om te zetten in suikers en zuurstof. De suikers vormen de basis en energiebron voor alle stoffen die een plant aanmaakt om te groeien. Dat planten anders kunnen reageren op licht weten we al langer, zoals blijkt uit de efficiëntie van hun fotosynthese. De voorouders van de gewassen die we dagelijks eten, hadden deze variatie nodig om optimaal gebruik te maken van de plaatsen waar ze groeiden. Hierdoor konden ze zich zowel in de volle zon als in de schaduw van andere planten ontwikkelen.

Hoewel fotosynthese een essentieel proces is voor planten, het brengt een risico met zich mee en vereist een hoog niveau van controle om energiestromen te beheren. Als een plant plotseling wordt blootgesteld aan te veel licht, het moet zich aanpassen aan de nieuwe situatie. Planten beschermen zich over het algemeen tegen overmatige fotosynthese door verschillende veiligheidsmarges aan te houden, wat betekent dat de aanpassing meerdere dagen duurt. Uit het onderzoek van de Wageningse wetenschappers blijkt nu dat sommige planten zich sneller kunnen aanpassen dan andere, en kunnen zo hun fotosynthesesysteem sneller aanpassen aan hun omgeving.

Selectie op fotosynthese in de fokkerij

Vandaag de dag, we telen gewassen in een omgeving die veel gemakkelijker te controleren is dan de oorspronkelijke natuurlijke omstandigheden. Bijvoorbeeld, planten krijgen nu voldoende voeding en water, afgestemd op maximale groei. Door de snelle ontwikkelingen in de landbouw in de afgelopen eeuw, planten hebben zich nog niet kunnen aanpassen aan deze nieuwe omstandigheden. Je zou kunnen zeggen dat ze nog steeds voorzichtig zijn en relatief traag reageren op plotselinge veranderingen zoals te veel licht. Planten die zich sneller kunnen aanpassen aan veranderende lichtomstandigheden, zullen het beschikbare water en de voedingsstoffen efficiënter kunnen gebruiken, uiteindelijk een hogere opbrengst opleveren.

Dus hoe komt het dat er zo weinig wordt geselecteerd op efficiëntere fotosynthese in de fokkerij? Lange tijd werd gedacht dat fotosynthese van nature geoptimaliseerd was en dat er weinig winst te behalen was in de veredeling. Bovendien, het is erg moeilijk om de genetische bijdrage aan de variatie van fotosynthese van planten in het veld te meten, waardoor het moeilijk is om zonder voorkennis te selecteren op fotosynthese. Omdat fotosynthese zo gevoelig is voor weersomstandigheden, variaties in het veld – zelfs tussen genetisch identieke planten – zijn vaak aanzienlijk.

"We voerden onze experimenten uit onder streng gecontroleerde omstandigheden, waardoor we variatie in de omgevingsfactoren tot een minimum kunnen beperken, ", zegt Aarts. "Vervolgens hebben we de fotosynthese van alle planten in het experiment op verschillende tijdstippen van de dag en via een identieke methode gemeten, en paste slechts één stressfactor toe:een eenmalige toename van de hoeveelheid licht. Hierdoor konden we precies bepalen wat de genetische bijdrage is aan hoe planten zich aanpasten aan de nieuwe stressvolle situatie. Met een van de genen die we vonden, hebben we de variatie in DNA-sequentie tussen de verschillende planten in detail bestudeerd."

Nieuwe gewasvariëteiten

De bevindingen bieden veredelingsbedrijven nieuwe kansen. We weten nu dat planten op hun eigen manier reageren op lichtvariatie, en dat dit in hun DNA is vastgelegd. We weten nog niet hoe deze aanpassingen in de plant werken, echter, en er is meer onderzoek nodig om erachter te komen hoe verbeterde fotosynthese de groei van de plant beïnvloedt voordat we ons kunnen concentreren op de selectie voor deze eigenschap.