Door met genetische modificatie een kronkel in fotosynthese weg te werken, wisten onderzoekers de groei van tabaksplanten met zo’n 40 procent te verhogen.

Miljoenen jaren geleden, ver voor het ontstaan van meercelligen, gebeurde er iets dat het leven op aarde drastisch zou veranderen. Piepkleine organismen evolueerden een eigenschap die het begin zou vormen van een van de belangrijkste biologische processen ter wereld. We hebben het over fotosynthese, waarbij water, koolstofdioxide en zonlicht omgezet worden in suikers en zuurstof.

Bijzonder genoeg is het essentiële proces ook een erg inefficiënte en gaat er een flinke hap van de geproduceerde energie verloren. Onderzoekers van de Universiteit van Illinois knutselden aan de genetische samenstelling (het genoom) van planten om die inefficiëntie weg te werken. Dat lukte, schreven ze in vakblad Science; hun aanpassingen zorgden voor een boost in plantengroei van maar liefst 40 procent. Genetisch gemodificeerde planten als deze zouden helpen bij de toenemende vraag naar voedsel, schrijft het team.

Lees ook: ‘Nieuwe techniek geeft gewassen een flinke boost’

RuBisCo

Grotendeels verantwoordelijk voor de inefficiëntie van fotosynthese, is het enzym RuBisCo, dat anorganisch koolstof, in de vorm van koolstofdioxide (CO₂), kan omzetten in een organische variant – de voorloper van onder andere glucose, cellulose en zetmeel. Helaas is RuBisCo niet alleen niet zo goed in zijn werk, waardoor er heel veel van geproduceerd moet worden, ook grijpt het soms zuurstof (O₂) in plaats van CO₂.

Vermoedelijk doordat het enzym in al die miljoenen jaren sinds het ontstaan vrijwel onveranderd is gebleven, pakt het zo’n één op de vijf keer (meestal vaker) per ongeluk O₂ in plaats van CO₂. Deze reactie levert een giftig, onbruikbaar bijproduct op, zogenaamde fosfoglycolaat, dat actief opgeruimd moet worden.

Fotorespiratie

Middels een lange, energieslurpende omweg, genaamd fotorespiratie, wordt het giftige bijproduct opgeruimd. Moleculair bioloog Paul South, die het onderzoek leidde, beschrijft fotorespiratie als ‘anti-fotosynthese’. “Het kost de plant kostbare energie en grondstoffen die het ook in groei had kunnen investeren”, zegt hij. Men schat dat fotorespiratie in gewassen zo’n 20 tot 50 procent van de uit fotosynthese gewonnen energie verbruikt.

Het was daarom die lange omweg van fotorespiratie waar de onderzoekers in ‘knipten’. Vergelijkbaar met het Panamakanaal brengt dit de hoeveelheid energie die verspild zou worden aanzienlijk terug. Die energie kan vervolgens weer gebruikt worden voor de groei van de plant.

Gedurende een onderzoek van twee jaar testten de onderzoekers dit idee. De genetisch aangepaste tabaksplanten bleken uiteindelijk sneller te groeien en zo’n 40 procent groter te worden (lees: 40 procent meer biomassa op te bouwen) dan de normale planten.

Normale, niet-aangepaste tabaksplanten. © RIPE Project/University of Illinois

De genetisch gemodificeerde tabaksplanten. Deze werden volgens de onderzoekers gemiddeld zo’n 40 procent groter dan de niet-aangepaste planten. © RIPE Project/University of Illinois

Voedselproductie

Het onderzoek, deel van het Realising Increased Photosynthetic Efficiency-project (RIPE), moet met name helpen om aan de vraag naar voedsel in de komende jaren te voldoen. Niet alleen zullen er steeds meer monden zijn om te voeden, eerder onderzoek heeft aangetoond dat de stijgende temperatuur – door klimaatverandering – fotorespiratie aanwakkert.

Het team poogt nu daarom dezelfde aanpassingen te maken in gewassen, waaronder sojabonen, rijst en aardappelen. Dat zou een gigantisch verschil moeten maken; miljoenen mensen zouden gevoed kunnen worden van de calorieën die verloren gaan bij fotorespiratie, menen de onderzoekers.

Bronnen: Science, University of Illinois, New Atlas

Beeld: RIPE Project/University of Illinois

Nu in onze webshop: de KIJK-scheurkalender 2019! Deze staat vol intrigerende feiten uit de wereld van de wetenschap en technologie. Met leuke quotes, plus elke dag een ‘verjaardag’: van een bijzonder persoon of een opmerkelijke gebeurtenis. Bestel de scheurkalender hier.