Gewassen die zich aanpassen aan de wolken

croceHoe kunnen we de fotosynthese van planten verbeteren?
Om straks 9 miljard mensen te kunnen voeden moet de opbrengst van gewassen omhoog. Roberta Croce, hoogleraar Biofysica van fotosynthese en energie, onderzoekt hoe planten efficiënter zonlicht kunnen omzetten. Met bijvoorbeeld een fotosynthese die flexibeler inspeelt op zon en schaduw, zouden planten tot wel 20 procent sneller kunnen groeien.

Met behulp van fotosynthese zetten planten zonlicht om in chemische energie. Deze is nodig om uit water en kooldioxide zuurstof en glucose te maken. Planten zijn uiteindelijk gebouwd van glucose, dus het is de fotosynthese waaraan we al ons voedsel hebben te danken. ‘Maar de plant is niet zo efficiënt in het omzetten van zonlicht, en past zich niet zo snel aan bij veranderingen in de hoeveelheid licht ’, vertelt Croce. ‘Als planten bijvoorbeeld plotseling in de schaduw komen te staan omdat er wolken voor de zon schuiven, kan het wel een half uur duren voordat het fotosynthese-apparaat zich aan die nieuwe situatie heeft aangepast. Jammer, want onder een wolkenveld werkt fotosynthese efficiënter dan in de volle zon.’

Twee eiwitcomplexen
De onderzoeksgroep van Croce bestudeert met fysische, biochemische en moleculair- biologische technieken hoe het fotosynthese-apparaat is te verbeteren. Dit apparaat bestaat uit verschillende eiwitcomplexen met samen honderden pigmenten die het zonlicht opvangen en omzetten in chemische energie. De onderzoekers bekijken hoe de eiwitcomplexen werken en hoe de energieflow wordt gereguleerd. Een belangrijks aspect hierbij is dat planten in de volle zon het teveel aan straling omzetten in warmte om te voorkomen dat het fotosynthese-apparaat beschadigt. Croce wil weten hoe deze zelfbescherming sneller gestopt kan worden wanneer de plant in de schaduw komt. Met een snellere aanpassing aan zonlicht en schaduw, kan het fotosynthese-apparaat per tijdseenheid meer chemische energie gaan produceren waardoor de planten sneller kunnen groeien.

Verrood licht
‘We willen planten ook méér zonlicht laten omzetten’, vertelt Croce. ‘Nu zetten planten alleen nog het zichtbare licht om. Maar we weten inmiddels hoe de fotosynthese-apparaten werken van bacteriën die het verrood licht van de zon kunnen omzetten. En we denken nu dat het mogelijk is de genen van planten zo te veranderen dat hun fotosynthese-apparaat ook verrood licht gaat omzetten. Ook daardoor zullen ze sneller groeien.’

Verbetering van gewassen
De onderzoeksresultaten kunnen leiden tot planten en algen die de absorptie-eigenschappen van hun bladeren kunnen veranderen, afhankelijk van de lichtintensiteit en lichtkleur. Wanneer de bladeren de optimale hoeveelheid zonlicht ontvangen, zal het fotosynthesesysteem efficiënter werken. Om de onderzoeksresultaten te delen nam Croce vijf jaar deel aan Biosolar cells. In dit in 2016 afgeronde Nederlands programma werkte een groot aantal kennisinstellingen en bedrijven samen ideeën uit voor de verbetering van gewassen, algen en cyanobacteriën, en van fotovoltaïsche cellen die uit water en kooldioxde biobrandstoffen maken. ‘Binnen zulke consortia hebben wij de mogelijkheid om zowel toegepast als fundamenteel onderzoek te doen’, zegt de hoogleraar. ‘Hoe beter wij het fotosynthese-apparaat kennen, hoe makkelijker het wordt om het te verbeteren.’