Afgelopen zomer was het erg droog en warm in de Verenigde Staten. De opbrengst van gewassen als maïs, tarwe, haver en andere planten daalde met wel een derde; de planten leden onder teveel warmte en te weinig water. Dit scenario zal meer gaan voorkomen nu de wereld warmer en droger gaat worden door klimaatverandering.
Dit artikel werd eerst gepubliceerd door Kurt Kleiner in Knowable Magazine.
Hoe fotosynthese te kapen
Onderzoekers proberen oude gewassen nieuwe trucjes te leren waardoor ze beter gedijen in deze moeilijke omstandigheden – gebruik makend van geheimen van planten als ananas, orchidee en agave. Deze en andere planten hebben de fotosynthese gekaapt waardoor ze het goed doen als het warm en droog is, zelfs bij een verzengende hitte.
Veel orchideeën bijvoorbeeld leven in de oksels van bomen waar water alleen doordringt bij zeldzame regenbuien. Andere, zoals agaven, doen het goed in rotsige en woestijnachtige bodems. Als onderzoekers gewassen als rijst en tarwe zó zouden kunnen veranderen dat ze gaan lijken op de hittebestendige soortgenoten, zouden we ze ook kunnen gaan verbouwen op nu onvruchtbare of te droge gronden. Onderzoekers zeggen dat de opbrengst wel kan toenemen met 50 procent of meer.
Zo’n resultaat zal nog jaren op zich laten wachten, maar het zou van levensbelang kunnen zijn. Onderzoekers verwachten dat we meer droge periodes gaan krijgen, waardoor akkers minder vruchtbaar worden. Tegelijkertijd gaat de wereldbevolking groeien van 8 miljard nu tot 10 miljard aan het eind van deze eeuw.
‘Het wordt steeds meer duidelijk dat klimaatverandering ons voor grote uitdagingen stelt,’ zegt Xiaohan Yang, een microbioloog die zich op Oak Ridge National Laboratory in Tennessee bezig houdt met planten. ‘Deze planten vormen een natuurlijke oplossing waarmee we klimaatverandering kunnen matigen.’
Het probleem van de fotosynthese
In het verleden ging het bij gewasverbetering om eigenschappen als grootte, resistentie tegen ongedierte of de lengte van het groeiseizoen. Maar onderzoekers kijken nu veel naar fotosynthese, het proces waardoor planten groeien en waarvan uiteindelijk al het leven op aarde afhankelijk is.
Het fotosynthese-proces gebruikt zonlicht, water en koolzuurgas; daaruit ontstaan suikers en andere moleculen die de plant nodig heeft. Maar in droge of warme milieus concurreren water en kooldioxide met elkaar. Om kooldioxide binnen te laten moeten de huidmondjes open staan. Maar door diezelfde huidmondjes ontsnapt waterdamp. Bij heet en droog weer kan dat leiden tot fataal waterverlies, inefficiënte fotosynthese of beide.
Fotosynthese vindt echter plaats in twee stappen, en dat geeft onderzoekers een belangrijke invalshoek. Bij het eerste deel van de fotosynthese, de zogenaamde lichtreacties, vangt de plant fotonen van de zon. Bij deze stap maakt de plant energierijke moleculen, nodig voor de volgende stap. De motor wordt als het ware opgeladen om klaar te zijn voor de volgende stap.
Bij de tweede stap van het proces, de ‘donkere reacties’, is geen licht nodig. Het enzym rubisco pakt het binnengekomen kooldioxide dat via het blad is binnengekomen, vast en verbindt het met een molecule dat RuBP wordt genoemd. De energie uit zonlicht die eerder werd ingevangen en bewaard, wordt nu gebruikt voor reacties die een eenvoudige suiker maken uit de koolstof. De plant kan de suiker gebruiken om er ingewikkelder moleculen van te maken.
Rond 85 procent van alle planten gebruikt deze versie van de fotosynthese. Waaronder de meeste bomen en voedselgewassen – zoals rijst, tarwe en sojabonen. We noemen zulke planten C3 planten omdat ze in een van de eerste stappen in de fotosynthese moleculen met drie koolstofatomen maken.
Een tweetrapsraket
Hoewel er alleen licht nodig is bij het eerste deel van de fotosynthese, gebeuren beide delen van het proces – ook opname van CO2 – tegelijkertijd bij de meeste planten: wanneer de zon schrijnt. Als het warm wordt blijven de poriën in het blad open (waardoor zij water verliezen), of ze sluiten (en zijn dan niet meer toegankelijk voor CO2 in de lucht). Als de poriën sluiten, neemt de concentratie van CO2 in het blad af zodat er minder CO2 beschikbaar is voor fotosynthese. Of erger, dit kan het proces verzieken, doordat het enzym rubisco nu zuurstof te pakken neemt. Dit zet fotorespiratie in werking, een verspillend proces waarbij de plant een deel van de koolstof kwijt raakt die deze eerst zo moeizaam heeft verzameld. Door fotorespiratie kan de efficiëntie van de koolstofvastlegging dalen met wel 40 procent, wat de plant in zijn groei belemmert.
Planten hebben twee manieren ontwikkeld om onder dit effect uit te komen. Onderzoekers hopen van allebei gebruik te kunnen maken. Sommige planten gebruiken een proces genaamd Crassulacean acid metabolism ofwel CAM. Zij nemen ’s nachts CO2 op, terwijl het koel is, en slaan deze op totdat het overdag kan worden gebruikt om suikers te maken. Andere planten, C4 planten genoemd, concentreren CO2 en slaan deze op in speciale cellen, waardoor zij de verspillende fotorespiratie voorkómen.
In beide gevallen hebben de betreffende planten de opname van kooldioxide uit de lucht afgezonderd van het proces waarbij rubisco het CO2 beetpakt om dit om te zetten tot een suiker. CAM planten gooien het proces uiteen tot verschillende dagdelen, terwijl C4 planten dit proces scheiden in verschillende delen van de plant.
Deze aanpassingen helpen de planten op twee manieren. Ten eerste besparen ze water, zodat de plant met minder toe kan. Net zo belangrijk: door de verspilling door fotorespiratie te vermijden, kunnen de planten harder groeien op dezelfde hoeveelheid voedingsstoffen.
De CAM strategie
CAM heet zo omdat dit process voor het eerst werd waargenomen in de Crassulaceae, een familie van vetplanten. Deze strategie met zijn extra stap ontwikkelde zich zo’n 20 miljoen jaar geleden. CAM-planten openen ’s nachts de poriën in hun bladeren (de stomata), als het betrekkelijk koel is. De C3 planten gebruiken geen rubisco, het enzym dat C3 planten gebruiken om CO2 te vangen, maar een enzym dat PEP heet. Anders dan rubisco is PEP alleen gevoelig voor CO2; het enzym zal dus geen zuurstof beet pakken. De plant zet het CO2 om in malaat (appelzuur) en bewaart deze stof ’s nachts in een celruimte die vacuool heet.
Als de zon opkomt, kunnen CAM planten hun stomata sluiten om water te besparen. Zij hebben de koolstof al opgenomen en opgeslagen in de vacuool. Deze koolstof kan nu terug worden omgezet in CO2 en gebruikt door rubisco om de moleculen te vormen die de plant nodig heeft.
Veel onderzoekers denken dat CAM een goed aangrijpingsput biedt voor verdere ingrepen. Want doordat CAM in de evolutie vaak is ontwikkeld in vele planten, zouden er geen grote obstakels moeten zijn bij de invoering van dit proces in niet-CAM planten; aldus Katharina Schiller en Andrea Bräutigam in de Annual Review of Plant Biology van 2021.
Het lijkt er zelfs op dat CAM berust op enzymen en andere stoffen die ook aanwezig zijn in C3 planten – ze gebruiken ze alleen op andere manieren en tijdstippen. Maar dan zouden we ook bestaande genen in normale planten kunnen omzetten naar het CAM mechanisme.
Problemen bij CAM
Maar dat is gemakkelijker gezegd dan gedaan. Om een CAM plant te maken zouden onderzoekers niet alleen biochemische paden moeten ontwikkelen om ’s nachts appelzuur te maken; maar ook om appelzuur om de cel heen kunnen vervoeren zodat deze CO2 kan vrijmaken op het juiste tijdstip.
Op dit moment zijn onderzoekers nog druk bezig om CAM goed te begrijpen; zodat ze het kunnen beheersen. Ze zijn er al decennia mee bezig, en er zijn nog steeds onopgeloste vragen. Veel van onze huidige kennis komt van het bestuderen van de gewone ijsplant (Mesembryanthemum crystallinum), die in zijn metabolisme kan schakelen tussen C3 en CAM. Door de verschillen in beide metabolismen te bekijken hebben onderzoekers veel verschillen kunnen begrijpen. Ze zouden er CAM mee aan het werk moeten kunnen zetten – alleen is dat nog niet gelukt.
Zo hebben ze 13 enzymen en actieve eiwitten geïdentificeerd, die betrokken lijken te zijn bij het opslaan van CO2 in de vorm van appelzuur en dit weer terug om te zetten. Om de rol van elk van deze eiwitten beter te begrijpen zetten moleculair plantenbioloog John C. Cushman van de Universiteit van Nevada, Reno en collega’s de genen voor elk van deze stoffen in een plant zonder CAM, de zandraket of Arabidopsis thaliana, het proefkonijn onder de planten. Ze maten hoeveel verschil elk gen maakte. En ze maten waar in de cellen de actieve eiwitten en enzymen aan het werk werden gezet.
De meeste genen betrokken bij het maken van appelzuur verhoogden de productie tenminste een beetje, wanneer ze één voor één aan het werk werden gezet. En de meeste genen betrokken bij de omzetting terug van appelzuur in CO2 verminderden deze, zo meldde het team in 2019 in in Frontiers in Plant Science.
Cushman en collega’s hebben ook gekeken naar een ander kenmerk van CANM planten: de dikte van hun bladeren. De meeste CAM planten hebben dikke bladeren, een eigenschap die vlezigheid wordt genoemd. Deze helpt hen bij het vasthouden en opslaan van water (denk aan een cactus, of de bladeren van een jadeplant of apenbroodboom, of een orchidee). Dit schijnt belangrijk te zijn, omdat vlezigheid CAM efficiënter schijnt te maken en het blad in staat stelt meer CO2 op te slaan. Met behulp van genen van wijndruiven die ervoor zorgen dat de vrucht dikker en rijper wordt, konden de onderzoekers de vlezigheid van de zandraket vergroten, zodat bladeren ontstonden die meer water kunnen opslaan dan normaal.
Er moeten veel ingewikkelde mechanismen worden bijeengebracht, en daar is nog veel werk aan te verzetten. Schiller en Bräutigam wijzen erop dat het niet voldoende is, te weten welke genen moeten worden aangezet om specifieke enzymen te maken. De genen moeten ook op de juiste plaats en tijd worden aangezet, en de juiste hoeveelheid eiwitten aanmaken. ‘Ik denk dat we over vijf jaar wel moeten weten of dit gaat werken of niet,’ zegt Cushman.
Yang van het Oak Ridge National Laboratory denkt dat CAM ingrepen kunnen werken. Want de evolutie is al vaak met dezelfde oplossing gekomen, onafhankelijk van elkaar. Met voldoende tijd en inspanning moeten we met synthetische biologie en biotechnologie dit proces wel kunnen nadoen.
En hoe doet maïs het?
We kunnen ook de fotosynthese soepel laten verlopen zelfs als het heet en droog is, als we C4 trekken invoeren in C3 planten. Veel van onze graangewassen zijn al C4 planten, waaronder maïs, sorghum en suikerriet. Er zijn aanwijzingen dat deze eigenschap meer dan 60 keer is ontwikkeld, onafhankelijk van elkaar. (C4 heet zo omdat bij dit proces een molecuul met vier koolstofatomen ontstaat bij fotosynthese door de plant, in plaats van het molecuul met drie koolstofatomen bij C3 planten).
Ook C4 planten zetten CO2 om in goed op te slaan appelzuur, voordat ze deze stof omzetten in suikers. C4 planten hebben daarbij een bijzondere opbouw van hun blad ontwikkeld. Ze bouwen bladeren met twee soorten cellen – mesofyle cellen en vaatbundelcellen – in concentrische cirkels. Kooldioxide komt de mesofyle cellen binnen, net als bij C3 planten. Maar bij C4 planten komt het enzym rubisco alleen voor in de vaatbundelcellen. Hierdoor blijft het enzym omgeven door CO2; het komt niet in contact met zuurstof waardoor er heel weinig verspillende fotorespiratie is.
De poriën van de C4 planten vertonen niet het alleen-open-in-de-nacht trucje; ze gaan daardoor niet zo zuinig om met water als CAM-planten, hoewel nog wel twee keer zo goed als C3 planten. Hun grote voordeel bestaat eruit dat ze rubisco opslaan in de vaatbundelcellen, waardoor ze minder fotorespiratie vertonen.
Als rijst kon worden omgevormd tot C4 plant, zou ‘de opbrengst met 50 procent kunnen toenemen, volgens modellen; water zou veel efficiënter worden gebruikt, net als stikstof,’ zegt Jane Langdale. Zij is geneticus aan de Universiteit van Oxford en leidt het C4 rijstproject, een langdurige inspanning van een aantal onderzoeksgroepen, gesteund door de Bill and Melinda Gates Foundation.
Twee jaar geleden brachten onderzoekers in het project vijf genen over van maïs naar een rijstplant. Deze zouden naar hun inschatting minimaal nodig zijn voor de essentiële reacties: CO2 omzetten tot appelzuur en dan weer terug naar CO2. Alle genen leverden de eiwitten zoals bedoeld, en de rijstplanten hadden er niet onder te lijden. Bovendien ontstond inderdaad appelzuur in de rijstplant. Maar de omzetting terug tot CO2 lukte niet, en de onderzoekers proberen nog steeds te weten te komen waarom. ‘Dat is ons belangrijkste onderwerp van onderzoek op dit moment,’ zegt Langdale.
Toch werden Langdale en haar collega’s ervan overtuigd dat zij stukken van het C4 metabolisme kunnen laten werken in rijst. Minimaal zouden zij graag zien dat naast en samen met C3 fotosynthese, ook C4 fotosynthese kan werken.
Vergelijking CAM en C4
Hoewel de C4 en CAM benaderingen overeenkomsten vertonen, he4bben ze beide hun sterke en zwakke punten. CAM is eenvoudiger, doordat je de bladcellen niet hoeft te plaatsen op de speciale C4 manier. En doordat veel bestaande planten kenmerken hebben van zowel C3 als CAM, zijn er redenen om aan te nemen dat zelfs gedeeltelijke CAM reactiepaden het goed zullen doen. Bovendien gaat CAM zuiniger om met water.
Aan de andere kant zal de productiviteit van planten waarschijnlijk veel meer toenemen met C4; bovendien zullen ze in vergelijking met C3 planten zuiniger omspringen met water, zegt Langdale. ‘CAM is niet ontstaan om opbrengst of productie van biomassa te vergroten. CAM is ontstaan als overlevingsmechanisme onder stressvolle omstandigheden,’ zegt ze. Dus om de opbrengst te verhogen moet je niet CAM toepassen. Maar wel bijvoorbeeld als je planten wilt laten groeien op marginale gronden.’
En misschien, zegt Cushman, kunnen we allebei doen: CAM eigenschappen introduceren in C4 planten als maïs, zodat ze nog zuiniger met water zullen omspringen.
In beide gevallen is het nog niet duidelijk of we langs deze weg commerciële gewassen kunnen voortbrengen. Yang zegt dat we duidelijk wel CAM kunnen inbrengen in C3 planten, maar dat het nog maar de vraag is of dit gaat leiden tot nuttige gewassen. Zo ja, dan denkt hij dat we nog altijd ongeveer 10 jaar nodig hebben voordat deze beschikbaar zijn. ‘De eerste vraag is: kunnen we dit?’ zegt hij. ‘Maar dan: kunnen we dit optimaliseren?…. Dat is nog maar de vraag.
Het C4 rijstproject kreeg vaart toen het in 2006 duidelijk werd dat er pas na lange tijd met veel fundamenteel onderzoek resultaat zou komen. De verwachting is dat het nog tot 2039 gaat duren voordat het project een werkende C4 rijstplant kan leveren aan commerciële telers. Momenteel proberen de onderzoekers een prototype rijstplant te maken met eenvoudige C4 kenmerken. Daarna duurt het nog vier tot vijf jaar voordat ze zeker weten dat C4 rijst werkt. Ze moeten ontdekken hoe ze de plant zover kunnen krijgen, appelzuur terug om te zetten in CO2. En ze zouden graag het formaat van de cellen rond de vaten in het blad groter willen maken, bijvoorbeeld als stap naar gespecialiseerde vaatbundelcellen.
‘Het is moeilijk te voorspellen. We hebben het gevoel met deze technologische ontwikkeling te komen op onbekend terrein,’ zegt Langdale. ‘Dat betekent dat we steeds twee stappen vooruit doen en dan weer één achteruit – het is opwindend maar ook frustrerend.’
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd in Knowable Magazine, een nonprofit publicatie die wetenschappelijke kennis algemeen toegankelijk wil maken. Teken hier in voor de nieuwsbrief van Knowable Magazine.
Interessant? Lees dan ook:
Is het leven maakbaar? Plantengentechnologie, fotosynthese-boost
Huub de Groot: kunstmatige fotosynthese gaat de kern worden van de energievoorziening
Het individu bestaat niet