Wetenschap
Onderzoek toont aan dat transgene expressie van rubisco-factoren de fotosynthese en de koudetolerantie in maïs verhoogt
Maïs is een van de meest geteelde gewassen ter wereld en is essentieel voor de mondiale voedselzekerheid. Maar net als bij andere planten kunnen de groei en productiviteit ervan worden beperkt door de langzame activiteit van Rubisco, het enzym dat verantwoordelijk is voor de koolstofassimilatie tijdens fotosynthese.
In een recente studie gepubliceerd in het Journal of Experimental Botany hebben wetenschappers van het Boyce Thompson Institute (BTI) een veelbelovende aanpak gedemonstreerd om de Rubisco-productie te verbeteren, waardoor de fotosynthese en de algehele plantengroei worden verbeterd.
De studie omvatte de transgene expressie van drie sleuteleiwitten, Rubisco Accumulation Factor 2 (Raf2) en de grote en kleine Rubisco-subeenheden. Door deze eiwitten tot overexpressie te brengen, verhoogden de onderzoekers het Rubisco-gehalte, versnelden ze de koolstofassimilatie en verhoogden ze de planthoogte in maïs.
"Onze bevindingen tonen het potentieel aan van het aanpassen van de Rubisco-assemblage om de gewasproductiviteit te verbeteren", zegt Kathryn Eshenour, een BTI-onderzoeker en eerste auteur van het onderzoek. "Door de expressie van deze eiwitten te veranderen, kunnen we het vermogen van maïs om efficiënter te fotosynthetiseren en robuuster te groeien ontsluiten, zelfs onder uitdagende omgevingsomstandigheden."
Het onderzoeksteam ontdekte dat Raf1 en Raf2, hoewel ze in verschillende stappen van de Rubisco-assemblage optreden, onafhankelijk van elkaar de Rubisco-abundantie en plantprestaties konden verbeteren. Dit opent mogelijkheden voor verdere verbeteringen door de eigenschappen op elkaar te stapelen, wat mogelijk kan leiden tot een nog grotere fotosynthesecapaciteit.
Interessant is dat de transgene planten ook een verbeterde veerkracht vertoonden tegen koudestress, een veel voorkomende milieu-uitdaging die de gewasopbrengsten ernstig kan beïnvloeden. De onderzoekers constateerden dat deze planten hogere fotosynthesesnelheden behielden tijdens blootstelling aan koude en sneller herstelden nadat de stress was verdwenen.
De innovatieve aanpak van het team biedt opwindende mogelijkheden voor andere gewassen. Veel basisvoedingsmiddelen met vergelijkbare fotosyntheseroutes als maïs, zoals sorghum, gierst en suikerriet, zouden potentieel kunnen profiteren van de aanpak die in dit onderzoek wordt gebruikt, wat kan leiden tot verbeteringen in de fotosynthese-efficiëntie en -opbrengst.
"Deze veelbelovende technologie is een van de vele die worden gebruikt om de fotosynthese in landbouwgewassen te verbeteren", zegt David Stern, professor bij BTI en hoofdauteur van het onderzoek. "Door de fijne kneepjes van de Rubisco-assemblage en de regulering ervan te blijven onderzoeken, kunnen we dit deel van een broodnodige toolkit voor het verbeteren van de fotosynthese in een breed scala aan gewassen verbeteren."
Nu voedselzekerheid een urgent probleem blijft en de gevolgen van de klimaatverandering steeds groter worden, is de behoefte aan productievere en aanpasbare gewassen nog nooit zo groot geweest. Dit onderzoek benadrukt het transformerende potentieel van op plantenwetenschap gebaseerde oplossingen bij het aanpakken van mondiale uitdagingen, en illustreert de inzet van BTI om een toekomst vorm te geven waarin de landbouw bloeit, de biodiversiteit behouden blijft en de mensheid profiteert van een gezondere, duurzamere wereld.