Inzicht in hoe cyanobacteriën ‘ver-rood’ licht gebruiken in schaduwrijke omgevingen

Op dit moment zet fotosynthese in planten maar een paar procent van het binnenkomende licht om in chemische energie. Deze lage opbrengst is gedeeltelijk omdat slechts een deel van het zonnespectrum, dat ruwweg overeenkomt met zichtbaar licht (golflengten onder 700 nm), kan worden geabsorbeerd en gebruikt om fotosynthese aan te drijven. Roberta Croce, hoogleraar biofysica van fotosynthese aan de Vrije Universiteit Amsterdam, en haar groep proberen de absorptie van verrood licht te vergroten, wat overeenkomt met golflengten boven 700 nanometer.

13-07-2020 | 14:28

Het uiteindelijke doel van hun onderzoek is om een chlorofylvariant van cyanobacteriën - die heel goed zijn in die specifieke opname - in de planten te brengen zodat ze ver-rood licht kunnen gebruiken. Dit is met name relevant voor gewassen omdat alleen ver-rood licht het gewasveld binnendringt, wat betekent dat er vooral ver-rood licht beschikbaar is voor de bladeren in de schaduw. Deze studie is 13 juli gepubliceerd in Nature Plant.

Fotosynthese
Fotosynthese is het proces dat lichtenergie omzet in biomassa (voedsel en brandstof) en op deze manier al het leven op aarde in stand houdt. Cyanobacteriën zijn bacteriën die fotosynthese uitvoeren. Planten voeren ook fotosynthese uit omdat ze een organel bevatten dat erg lijkt op een cyanobacterium (eigenlijk is het een cyanobacterium dat lang geleden door de plant werd 'opgegeten'). De eerste stap van fotosynthese is de opname van licht, dit wordt gedaan door pigmenten genaamd chlorofylen, die in planten alleen het zichtbare licht (de kleuren van de regenboog) absorberen. Zonlicht heeft echter meer “kleuren”, bijvoorbeeld ver-rood. Planten kunnen geen ver-rood licht gebruiken, maar er zijn nu bacteriën ontdekt die ve-rrood licht kunnen absorberen en omzetten in biomassa. Dit is interessant omdat als planten ook ver-rood licht kunnen absorberen, ze ook hun productiviteit zullen verhogen.

Cyanobacteriën
Cyanobacteriën gebruiken pigmenten: chlofyllen. Chlorofyl vangt zonlicht op, en zet de zonne-energie om in chemische energie, die vervolgens wordt gebruikt voor fotosynthese. Chlorofyl is groen doordat het het rode en blauwe deel van het lichtspectrum absorbeert: alleen groen licht wordt teruggekaatst. Niet alle chlorofyllen bevatten echter voldoende energie om deze reacties te sturen en de fotosynthese is minder efficiënt in het infrarood. Daarom wordt chlorofyl a gebruikt. Dit pigment, dat verantwoordelijk is voor de groene verkleuring van planten, absorbeert alleen zichtbaar licht (wat overeenkomt met golflengten van fotonen van 400-700 nm). Hierdoor blijven de infraroodgolflengten (boven 700 nm) grotendeels onbenut in de schaduw van een dichte plantentop, waar het meeste zichtbare licht wordt geabsorbeerd door de bovenste bladeren.

Chlorofyl f
Een strategie om gebruik te maken van de infraroodfotonen is om pigmenten te selecteren die absorberen bij langere golflengten dan chlorofyl a. Deze enkele recent ontdekte cyanobacteriële soorten die diep beschaduwde omgevingen bevolken kunnen zich aanpassen aan het gebruik van het "overgebleven" licht met een langere golflengte door hun fotosynthetische apparaat om te vormen en een ander pigment, chlorofyl f, te produceren. Hoewel chlorofyl f deze cyanobacteriën in staat stelt fotonen vast te leggen met golflengten tussen 700 en 800 nm, was er tot nu toe heel weinig bekend over de invloed op de fotosynthetische efficiëntie. Deze informatie is essentieel als we dit pigment in andere organismen, zoals planten en algen, willen introduceren om hun lichtopbrengst te vergroten.

Door de ultrasnelle processen te volgen die volgen op de lichtabsorptie door de chlorofylen ontdekten de onderzoekers dat de aanwezigheid van chlorofyl f soms de efficiëntie van fotosynthetische reacties kan verminderen. Het gebruik van chlorofyl f blijft echter gunstig in schaduwrijke omgevingen die sterk zijn verrijkt met fotonen met lage energie, waar chlorofyl a nauwelijks licht zou absorberen. Deze bevinding bewijst dat het gebruik van chlorofyl f een haalbare strategie is om het absorptiespectrum van geconstrueerde gewassen uit te breiden. De analyses werpen ook licht op de structurele en energetische redenen achter de verminderde prestaties van chlorofyl f-bevattende cyanobacteriën. Op deze manier bieden ze een startpunt voor het rationele ontwerp van nieuwe fotosynthetische eenheden die nodig zijn om de gewenste hoge biomassa-opbrengsten te bereiken.

Lees ook het artikel Het rommelige proces van de fotosynthese in NRC.