Wetenschappers hebben in het nog onontgonnen DNA van de fotosynthese- en energiefabriekjes van Arabidopsisplanten genetische variatie ontdekt die cruciaal is voor de fotosynthese-efficiëntie van planten. Deze nieuwe inzichten – gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) - openen de deur naar productievere, klimaatbestendige gewassen die kunnen bijdragen aan duurzame mondiale voedselzekerheid.
Naast chromosomen bevatten plantencellen in hun celkernen ook organellen. Dit zijn aparte compartimentjes die een specifieke functie hebben, zoals chloroplasten voor fotosynthese (vastleggen van zonne-energie en CO₂ in suikers) en mitochondriën (vrijmaken van energie uit suikers). Zowel chloroplasten als mitochondriën bevatten elk circa 100-150 genen die coderen voor eiwitten met een essentiële functie in deze organellen.
Organellaire genetische variatie tot nu toe onontgonnen terrein
Voor het goed functioneren van planten is daarom een optimale coördinatie nodig van chromosomale, chloroplastische en mitochondriale genetische variatie. Tot nu toe wisten we echter heel weinig over het belang van een goede aansturing van deze organellaire genetische variatie en hoe dit het goed functioneren van planten bepaalt.
Onderzoekers van Wageningen University & Research (WUR) en Michigan State University brengen daar nu verandering in. In een gisteren gepubliceerd artikel op de website van het gezaghebbende wetenschappelijke tijdschrift PNAS laten ze zien dat genetische variatie in chloroplast en mitochondrieel DNA een belangrijke bijdrage levert aan de variatie in fotosynthese van Arabidopsis thaliana (Zandraket) planten. "Vooral de rol van variatie in chloroplasten en mitochondriën in energieproductie en fotosynthese is iets dat voorheen niet kon worden onderzocht, en nu wel", vertelt Mark Aarts, hoogleraar plantengenetica bij WUR, onder wiens begeleiding het onderzoek is uitgevoerd.
Chlorofylfluorescentie-opname van fotosyntheseparameters van enkele cybriden.
Analyse van 240 'cybride' Arabidopsis-lijnen
Voor hun onderzoek ontwikkelden de auteurs een nieuwe methode voor het op grote schaal creëren van zogenaamde cybriden, ofwel planten waarin de oorspronkelijke chloroplasten en mitochondriën volledig zijn vervangen door die van een andere plant.
"Door de chromosomen van één van vier verschillende Arabidopsis planten te combineren met de chloroplasten en mitochondriën van één van 60 andere Arabidopsis planten, wisten we 240 unieke cybriden te creëren", zegt Aarts.
De gebruikte planten zijn afkomstig van een groot aantal verschillende locaties van Europa, Azië en Afrika, het natuurlijke verspreidingsgebied van Arabidopsis.
Het is voor het eerst dat zo'n grote set aan cybriden gemaakt is. Het laat zien dat een dergelijke aanpak in principe ook gevolgd zou kunnen worden voor landbouwgewassen, en een vergelijkbare methode is daarmee ook binnen bereik gekomen van plantenveredelingsbedrijven.
Testlocatie van de gegenereerde cybriden.
Efficiëntere fotosynthese en plantengroei
De efficiëntie van fotosynthese van planten in het veld lijkt niet erg hoog wanneer die vergeleken wordt met de efficiëntie van zonnepanelen. Van de zonne-energie die op planten valt, benutten gewassen gemiddeld maar ongeveer 1%. Eerder onderzoek heeft laten zien dat die efficiëntie in principe nog wel 5 tot 6 keer hoger zou kunnen zijn. Hoe dat voor elkaar te krijgen is het onderwerp van studie door het Jan IngenHousz Institute in Wageningen, waar twee van de auteurs van het artikel nu werkzaam zijn.
Waar in het verleden de voornaamste aandacht uitging naar het gebruik van de genetische variatie in chromosomen om fotosynthese te verbeteren, vergroot de ontdekking volgens Aarts nu de mogelijkheden voor plantenonderzoekers en veredelaars om de energieproductie en fotosynthese te onderzoeken en verhogen, zodat toekomstige rassen beter in staat zijn om energie vast te leggen en die te gebruiken voor optimale groei.
Aarts: "Het verhogen van het potentieel van gewassen om zonne-energie om te zetten en onder verschillende omgevingsomstandigheden voldoende opbrengst te produceren is cruciaal als we een groeiende wereldbevolking in de toekomst willen voorzien van klimaatbestendige, robuuste gewassen die op een duurzame manier worden geteeld."
Foto's en tekst: WUR