211service.com
Verbeter de fotosynthese om de wereld te voeden
WITTEN SABBATINI
In een zwoele kas in het centrum van Illinois zaait een luidruchtig maar gefocust paar onderzoekers experimentele planten. De wetenschappers bevochtigen de grond en verpakken deze in potten, waarna ze voorzichtig kleine donkerbruine tabakszaden uit glazen flesjes halen. In de maanden die volgen, zullen de onderzoekers de planten naar buiten verplaatsen naar een veld en kijken of ze groter of sneller groeien dan normaal - een cruciale stap om de wereld van 2050 te voeden.
Deze tabaksplanten zijn op een fundamenteler niveau ontwikkeld dan typische biotechgewassen. Er is gesleuteld aan de manier waarop ze fotosynthese uitvoeren, zodat ze zonlicht en koolstofdioxide efficiënter omzetten in koolhydraten. Als wetenschappers dat doen in voedselgewassen, kan elk stuk land meer voedsel produceren, of dezelfde hoeveelheid voedsel produceren met minder water en kunstmest.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van september 2017
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
De behoefte is dringend. Om een groeiende bevolking te voeden, zo projecteren de Verenigde Naties, moeten de landbouwopbrengsten wereldwijd tussen nu en 2050 met 50 procent stijgen. En dat ambitieuze doel houdt geen rekening met de effecten van klimaatverandering. Planten gedijen op kooldioxide, maar zeer warme dagen onderdrukken de oogstopbrengsten. In veel delen van de wereld zullen de stijgende temperaturen en toegenomen droogtes als gevolg van klimaatverandering verwoestend zijn. En die negatieve effecten zullen de grootste impact hebben op de armen, zegt Steve Long, directeur van het project Realizing Verhoogde Photosynthetic Efficiency (RIPE), een internationaal consortium aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.
Het RIPE-project, gefinancierd door de Bill and Melinda Gates Foundation, begint met tabak omdat het relatief eenvoudig genetisch te manipuleren is. Maar het echte doel van RIPE is het verbeteren van de opbrengsten van voedselgewassen zoals cassave en cowpeas, die in veel arme landen belangrijke bronnen van calorieën en eiwitten zijn. En het werkt aan veel ambitieuzere veranderingen in het plantenmetabolisme dan ooit tevoren.
Landbouwkundigen hebben de fotosynthese nog niet tot het uiterste gedreven. Dat ondanks het feit dat dit biochemische proces van 160 stappen zeer goed bestudeerd en verrassend inefficiënt is: planten zetten minder dan 5 procent van de energie in zonlicht om in biomassa. Een nog kleiner deel daarvan wordt geïnvesteerd in de plantendelen die mensen graag eten: zaden, knollen, bonen. De moderne landbouw heeft de opbrengsten enorm verbeterd dankzij meststoffen, pesticiden en traditionele veredeling. Nu is het moeilijker om aan winst te komen. Daarom richt de RIPE-groep zich op inefficiënties in het plantenmetabolisme. (Andere onderzoekers proberen variaties op hetzelfde idee; zie 10 Breakthrough Technologies 2015: Supercharged Photosynthesis.)
Verwant verhaal
Verwant verhaal Vorig jaar toonden RIPE-onderzoekers voor het eerst aan dat het mogelijk was om de gewasopbrengst in het veld te verbeteren door fotosynthese te ontwikkelen. Door de expressieniveaus van drie genen die betrokken zijn bij de verwerking van licht te verhogen, verbeterden ze de tabaksopbrengst met 20 procent.
Nu probeert het RIPE-team dezelfde genetische manipulatietruc te gebruiken om de opbrengsten van meer weerbarstige voedselgewassen te verhogen. Het realiseren in cassave is voor een deel van Amanda De Souza, een postdoc uit Brazilië.
Genetische manipulatie van fotosynthese in cassave is een delicaat en langdurig proces. De Souza opent een petrischaaltje om te pronken met cassave-embryo's, lichtgele trossen van ongeveer een millimeter breed. Ze kweekt ze met weefsel dat van een knop is geplukt op een volgroeide cassaveplant. Dit cluster van cellen, callus genaamd, kan worden geïnfecteerd met bacteriën die de lichtverwerkende genen dragen. Slechts een paar cellen zullen de genen daadwerkelijk opnemen. Degenen die dat wel doen, worden dan blootgesteld aan een hormooncocktail die hen ertoe aanzet een stengel en wortels te laten groeien.
Bij cassave duurt deze genetische transformatie acht tot tien maanden, tenminste als alles goed gaat. Andere belangrijke voedselgewassen, waaronder rijst en erwten, zijn iets sneller.
Beneden in de hal opent De Souza een kastachtige kamer die wordt overspoeld met kunstmatig zonlicht. In de schappen groeien jonge cassaveplanten in plastic potten, hun wortels omgeven door een voedingsgel die met de hand wordt geplukt voordat de planten de grond in kunnen.
De proefvelden van RIPE liggen op 10 minuten rijden van de labs. In dit deel van het land verbouwen boerderijen voornamelijk sojabonen en maïs. Het is aan David Drag, RIPE's veldproevenmanager, om uit te zoeken hoe de bodem van centraal Illinois gewassen als cassave en rijst kan voeden. Voor één project hielp een medewerker hem bij het bouwen van een rijstveld. Maar in 2015 herinnert hij zich spijtig dat hij een van de belangrijkste projecten van RIPE zag verdrinken in een zware regenbui aan het einde van het seizoen, ondanks de inspanningen van het team om loopgraven en dammen te graven. Een jaar werk ging verloren - een nederige herinnering dat zelfs de meest geavanceerde landbouwwetenschap nog steeds overgeleverd is aan de genade van de natuur.
De gemanipuleerde tabaksplanten in deze kas worden gecombineerd met zakken om de zaden op te vangen die ze laten vallen, voor gebruik in toekomstige tests.
Links: Deze robot manoeuvreert zichzelf door velden om biomassa en andere aspecten van plantengroei te meten.
Rechts: Dit apparaat, geklemd op een tabaksblad, peilt naar de stofwisseling van de plant. Het meet de temperatuur en vochtigheid aan het bladoppervlak en hevelt zuurstof en andere gassen die door het blad worden uitgestoten, naar een chemische analysator.
Deze jonge cassaveplanten zijn genetisch gemanipuleerd om zonlicht efficiënter te verwerken.
Links: Een deel van het fundamentele onderzoek naar de moleculaire biologie van fotosynthese wordt gedaan in algen in petrischalen. Rechts: Een kaart van chlorofyl in een plant, gemaakt door een fluorescentie-imager.
Links: Een fluorescentie-imager stelt planten bloot aan flitsen van helder licht om te meten hoe snel ze reageren op veranderende lichtniveaus.
Rechts: een blik in de fluorescentie-imager.
Deze experimenten hebben geholpen om vast te stellen dat tabaksplanten hogere opbrengsten produceren als ze de productie van een moleculair zonnescherm sneller kunnen uitschakelen wanneer het lichtniveau daalt. Planten die het goed doen in deze experimenten gaan door naar veldproeven.