Flexibele fotosynthese bij planten kan omslag voor gewas-productiviteit betekenen

Fotosynthese blijkt mogelijk in afwezigheid van het pigment bètacaroteen. Met deze ontdekking, waarmee een algemeen aangenomen theorie omver is geworpen, ligt de weg open om fotosynthese te herontwerpen en zo productievere gewassen te maken.

12-11-2020 | 14:44

Een plant waarin alle natuurlijke pigmenten zijn vervangen door een niet-natuurlijk pigment uit vissen kan toch, tegen alle verwachtingen in, licht in chemische energie omzetten. Zo blijkt uit onderzoek dat recent is gepubliceerd in eLife. Het onderzoek is uitgevoerd onder leiding van VU-hoogleraar Roberta Croce.

Carotenen en xanthofylen 
Carotenoïden, de pigmenten die zorgen voor de oranje, gele en rode kleur van groenten en fruit, zijn onmisbaar in onze voeding. Het lichaam zet ze om in vitamine A, waardoor een gezond gezichtsvermogen, afweersysteem en voortplanting worden ondersteund. Deze pigmenten zijn ook essentieel voor fotosynthese, het proces dat vrijwel al het leven op aarde in stand houdt door zonne-energie om te zetten in voedsel en brandstof en door de zuurstof te leveren die wij inademen. 

De celstructuren waarin fotosynthese plaatsvindt, bevatten twee soorten carotenoïden: carotenen en xanthofylen. Xanthofylen spelen een rol bij het opvangen van licht, carotenen maken deel uit van de componenten die het licht vervolgens omzetten in chemische energie. Er zijn organismen bekend met een fotosynthese-systeem zonder xanthofylen, maar fotosynthese zonder carotenen is tot dusver niet gevonden in de natuur. 

“Er komen ongeveer duizend verschillende soorten carotenoïden voor in de natuur, maar een daarvan, bètacaroteen, wordt gevonden in alle fotosynthetiserende organismen. Daardoor is het idee ontstaan dat dit pigment onmisbaar is voor fotosynthese”, vertelt Pengqi Xu, eerste auteur van het artikel en promovendus aan de VU. “Deze aanname is echter nooit geverifieerd, omdat we tot nu toe geen mutanten beschikbaar hadden voor onderzoek waarin carotenoïden – zowel carotenen als xanthofylen – geheel ontbraken.” 

Gemodificeerde tabaksplant 
Voor dit onderzoek heeft het team een tabaksplant gemaakt, zodat deze plant – met de naam Asta – slechts één xanthofyl aanmaakte, namelijk astaxanthine (het pigment waaraan zalm en garnalen hun kenmerkende roze kleur te danken hebben) en helemaal geen carotenen. Ze ontdekten dat alle belangrijke fotosynthese-eiwitten aanwezig waren in de gemodificeerde plant, maar wel in een andere verhouding dan in de normale tabaksplanten. Uit verdere analyse van de individuele eiwitten in deze systemen bleek dat bètacaroteen in de fotosynthese-eiwitten deels kon worden vervangen door astaxanthine. Het bond aan de eiwitten op sommige maar niet op alle plaatsen waar normaalgesproken bètacaroteen zit. Dit betekent dat fotosynthese nog steeds mogelijk is als sommige van de bindingsplaatsen voor carotenoïden ‘leeg’ blijven. 

Toen de onderzoekers de fotosynthese-prestaties van de gemodificeerde Asta-planten vergeleken met die van de reguliere tabaksplanten met caroteen, ontdekten ze dat de twee fotosystemen in evenwicht bleven bij elke lichtsterkte en bij zowel wilde soorten planten als gemuteerde planten. 

Naast het omzetten van licht spelen carotenen een belangrijke rol bij het beschermen van het gevoelige fotosynthese-mechanisme tegen lichtschade. Daarom hebben de onderzoekers bekeken of het ontbreken van alle natuurlijk voorkomende carotenoïden invloed had op niet-fotochemische quenching (NPQ), waarmee planten zichzelf beschermen tegen overmatig licht. Ze ontdekten dat het begin en het herstel van NPQ identiek waren in de gemodificeerde en natuurlijke planten. Dat was een verrassende ontdekking, omdat de Asta geen van de twee carotenoïden bevat waarvan werd aangenomen dat die onmisbaar waren voor dit proces. 

Uitermate flexibel systeem 
“Uit de resultaten van ons onderzoek blijkt dat het fotosynthese-systeem uitermate flexibel is en zeer efficiënt kan inspelen op veranderingen in de functionaliteit van sommige onderdelen”, concludeert hoofdauteur Roberta Croce, hoofd van de vakgroep Biophysics of Photosynthesis and Energy aan de VU. “Deze ontdekking is heel erg belangrijk, zeker als je bedenkt dat sleutelen aan fotosynthese bijzonder veelbelovend is om de productiviteit van gewassen te verbeteren.”