Een kleine DNA-verandering aan maïs, suikerriet en de graansoort sorghum zorgt ervoor dat de planten stijgende CO2-niveaus in hun voordeel kunnen gebruiken. De planten groeien hierdoor een zo’n 20 procent sneller.
Door maïs, suikerriet en sorghum genetisch te modificeren, kunnen de planten profiteren van de gestegen CO2-niveaus in de atmosfeer. Hierdoor groeien ze sneller.
Om dit resultaat te bereiken, verhoogden Amerikaanse plantenbiologen de activiteit van slechts twee genen. Het is de bedoeling dat dit onderzoek leidt tot nieuwe varianten waarvan de opbrengst groeit wanneer CO2-niveaus blijven toenemen. De biologen plaatsten hun onderzoek op BioRxiv, een online platform waar wetenschappelijk onderzoek verschijnt nog voordat het door onafhankelijke experts getoetst is.
Op zoek naar de vliegroute van de grote stern
Ecoloog Ruben Fijn bracht met gps voor het eerst uitgebreid het vlieggedrag van de grote stern in kaart. Zijn onderzoek laat ...
Essentieel eiwit
Tijdens het leeuwendeel van de periode waarin fotosynthetische cellen hebben bestaan die zonlicht omzetten in voedsel, waren de CO2-niveaus in de atmosfeer een stuk hoger dan nu. De planeet was toen ook een stuk warmer. Zo’n 35 miljoen jaar geleden daalde het CO2-gehalte. Dat zette organismen die aan fotosynthese deden onder druk.
Ze hadden namelijk een zwakke plek die te maken heeft met het eiwit rubisco, dat waarschijnlijk het meest veelvoorkomende eiwit op aarde is. Rubisco helpt mee om CO2-moleculen uit de lucht te vissen en vast te plakken aan een suikermolecuul. Het is daarmee cruciaal voor fotosynthese en, daaruit volgend, de groei van planten. Het probleem is dat rubisco soms per ongeluk een zuurstofmolecuul aan een suikermolecuul vastplakt, in plaats van een CO2-molecuul. Dit hindert de groei juist.
Toen de CO2-niveaus in de atmosfeer omlaagdoken, nam de kans toe dat rubisco zuurstof uit de lucht griste in plaats van CO2. Daardoor konden planten minder efficiënt met hun energie omgaan dan voorheen. Sommige gewassen die tegenwoordig op aarde groeien, verspelen op deze manier wel veertig procent van hun energie.
Dit vormt een probleem voor zo’n 95 procent van de soorten die vallen onder de categorie C3-planten. Andere planten hebben door de tijd heen een oplossing ontwikkeld. Zogeheten C4-planten hebben bijvoorbeeld een soort chemische pomp die zorgt voor een CO2-concentratie in fotosynthesecellen die de vroegere atmosfeer weerspiegelt.
Hoewel er slechts enkele C4-gewassen bestaan – zoals maïs, suikerriet, sorghum en gierst – zijn ze vanwege hun hoge productiviteit wel belangrijk voor de voedselvoorziening, zegt plantenwetenschapper Stephen Long van de Universiteit van Illinois, die betrokken was bij het onderzoek. ‘Suikerriet is het gewas met de hoogste opbrengst ter wereld als we het hebben over biomassa’, zegt hij.
Veldwerk
Door de stijgende CO2-niveaus is de productiviteit van veel planten gestegen in de laatste paar eeuwen, maar C4-gewassen delen niet in deze voordelen. De planten kunnen wel meer CO2 in hun cellen pompen wanneer het gehalte in de atmosfeer toeneemt, maar wetenschappers vermoeden dat deze cellen niet genoeg rubisco aanmaken om van de situatie te profiteren.
Onderzoeksleider Coralie Salesse-Smith van de Universiteit van Illinois en haar collega’s hebben dit vermoeden getest door extra kopieën toe te voegen van de twee voornaamste genen die een rol spelen bij de rubiscoproductie in C4-planten. In 2018 liet haar team al zien dat maïs in een lab hierdoor beter ging groeien.
Nu heeft Salesse-Smith dezelfde aanpak gebruikt om de biomassa-opbrengst van sorghum met gemiddeld 16 procent te verhogen. Deze keer deed ze dat niet in een lab, maar bij planten buiten in het veld. Het is cruciaal om aan te tonen dat de planten ook beter groeien in de echte wereld, aldus Salesse-Smith.
De verhoging vertaalde zich nog niet naar een grotere opbrengst van zaad, maar dat komt waarschijnlijk doordat het team een oudere variant modificeerde en geen extra plantenvoeding gebruikte, zegt ze.
De onderzoekers testten hun methode ook bij suikerriet dat in kassen werd geteeld. Dat leverde tot wel 81 procent meer suikerriet op. Long zegt dat effecten vaak groter zijn in een kas dan op het veld. ‘We verwachten niet dat we zo’n resultaat in het veld zullen zien.’
Voedselzekerheid
Het onderzoek laat zien dat rubisconiveaus opkrikken bij in ieder geval drie verschillende C4-planten werkt, zegt Salesse-Smith. ‘Hopelijk werkt deze aanpak bij alle C4-planten.’
‘Dit zijn erg veelbelovende resultaten’, zegt plantenwetenschapper Johannes Kromdijk van de Universiteit van Cambridge. De volgende stap is volgens hem om te testen hoe aangepaste C4-gewassen het doen in andere klimaten.
Het duurt vaak lang om nieuwe versies van een plant te produceren. Zelfs als alles goed gaat, kan het daarom wel twintig jaar duren voordat boeren zulke nieuwe gewassen commercieel kunnen gebruiken, zegt Long.
Tegelijkertijd proberen onderzoekers om niet-C4-gewassen om te bouwen tot C4-planten. Hiermee zouden ze het probleem van rubisco-eiwitten die zuurstof vissen kunnen verkleinen. ‘Maar er zijn zoveel veranderingen die je dan moet doorvoeren’, zegt Long. ‘Misschien slagen we hierin aan het eind van de tweede helft van deze eeuw.’
Er worden bij lange na niet genoeg middelen gestopt in het verbeteren van de oogst van voedselgewassen om te kunnen voorzien in de vraag van een groeiende populatie in een opwarmende wereld, zegt hij. ‘De wereld moet zijn ogen openen voor de problemen op het gebied van voedselzekerheid die ons tegemoetkomen.’
