Dinsdag 12/11/2019

Wat is fotosynthese? Fotosynthese 2.0 zal de wereld redden

Willen we de aarde met haar groeiende bevolking op een duurzame manier draaiende houden, dan moeten planten veel meer voedsel, energie en bruikbare biomassa leveren. En straks lukt dat ook. Dankzij een verbeterde versie van fotosynthese, het proces waarbij planten met behulp van zonlicht hun eigen bouwstoffen en energie maken.

Aan fotosynthese heeft de mens zich nog nooit gewaagd. Hij heeft eeuwenlang planten gekruist en veredeld om de beste varianten te kweken. Hij heeft her en der gewassen genetisch veranderd voor meer opbrengst. Maar aan de motor van de plant heeft hij nog niet gesleuteld. Dat gaat hij nu doen.

De eerste resultaten zijn er al, en ze zijn spectaculair. Wetenschappers onder leiding van Stephen Long aan de universiteit van Illinois (VS) publiceerden onlangs in vakblad Science de uitkomsten van experimenten met tabaksplanten. De onderzoekers wisten de opbrengst van de tabaksplant te verhogen met 15 procent. In veredelingstermen een megastap. De crux is dat licht de fotosynthese aandrijft en dus goed is voor de plant, maar te veel licht niet. Als een plant in de volle zon staat, wordt een deel van de lichtenergie afgevoerd en niet gebruikt voor fotosynthese. Het proces wordt als het ware teruggeschakeld, en weer in een hogere versnelling gezet als het licht minder wordt. Een plant die in flikkerlicht staat, is dus voortdurend aan het schakelen. En de meeste planten staan in het flikkerlicht, dankzij de wapperende bladeren van buurplanten of overhangende bomen.

Als het licht minder wordt, duurt het even voor de plant zijn fotosynthese in een hogere versnelling heeft gezet. In die schakeltijd is het proces dus niet zo efficiënt als het zou kunnen zijn. Dat opschakelen gaat in de ene plantensoort traag en in de andere juist snel. De onderzoekers ontdekten wat het verschil maakt, en bouwden zo'n snelle schakelbak in bij de tabaksplant. Met spectaculair resultaat.

Stephen Long werkt niet alleen in de VS, maar ook in Groot-Brittannië, en maakt deel uit van een groot onderzoeksconsortium dat nu op poten wordt gezet, met onderzoekers van 48 instellingen in zeventien landen. Zij zijn druk doende het onderzoeksprogramma Photosynthesis 2.0 gefinancierd te krijgen in het volgende kaderprogramma van de Europese Unie, dat in 2020 begint.

Een resultaat als dat van Long helpt daarbij, zegt René Klein Lankhorst van Wageningen Universiteit, een van de initiatiefnemers: "Het laat zien hoeveel vooruitgang je kunt boeken door aan fotosynthese te sleutelen. En het is niet het enige spectaculaire resultaat. Onze Britse collega Christine Raines heeft gekeken naar een enzymcomplex in een heel ander deel van de motor. Ze heeft de werking daarvan weten te versnellen, wat leidde tot een opbrengstverhoging van 30 procent. En er zijn nog tal van andere plaatsen in de motor waaraan je zou kunnen sleutelen."

Maar daarmee ben je er nog lang niet, waarschuwt Klein Lankhorst. Spectaculaire versnellingen van de fotosynthese vind je niet alleen in de jongste wetenschap, maar ook in de natuur. In de formule 1 van de fotosynthese zitten woestijnplanten. De zaden van die planten moeten soms jaren wachten op een beetje regen. En als die regen dan komt, moeten ze in een paar weken álles doen: kiemen, wortel schieten, stengel, blad en bloem vormen en nieuwe zaden verspreiden.

Klein Lankhorst: "Dat is ongelooflijk, die planten zíé je groeien als het ware. Maar voor die woestijnplant is dat noodzaak. En om alles te zetten op die supersnelle groei, heeft hij andere bezigheden overboord gezet die voor hem minder belangrijk zijn, zoals de afweer tegen ziekten. Dus je kunt niet zomaar wat genen van die woestijnspecialist overzetten in onze gewassen. Je moet heel goed kijken wat je doet. Maar zeker is dat fotosynthese veel sneller kán. Mensen hebben vaak het idee dat de natuur heel efficiënt is. Dat is ook wel zo, maar onder natuurlijke omstandigheden. De gewassen die we verbouwen, zijn niet voor de landbouw geboren; die hebben we uit het bos gehaald en in het veld gezet. Als ze echt daarop aangepast zouden zijn, zouden ze het veel beter doen. Een veldje aardappels benut nu 0,5 procent van de zonne-energie die erop valt. Dat zou 5 tot 10 procent kunnen zijn."

Voedselbehoefte

En zo ver hoef je niet eens te komen. Een verdubbeling van de productie zou al antwoord bieden op de voedselbehoefte van de groeiende wereldbevolking en op de vraag naar biomassa voor een groene economie. En een verdubbeling zou een wereld van verschil maken in het klimaat. In het klimaatakkoord van Parijs staat dat de wereldwijde uitstoot van CO2 moet worden verminderd met 20 gigaton per jaar. In de fotosynthese van landbouwgewassen wordt wereldwijd 14 gigaton CO2 per jaar gebruikt. Als je de fotosynthese kunt versnellen, kan de extra opname van CO2 een aanzienlijke bijdrage leveren aan de doelstelling van het klimaatakkoord. Het scheelt volgens schattingen netto zo'n 4 gigaton CO2 per jaar.

En toch blijkt het niet eenvoudig om onderzoek naar het versnellen van fotosynthese gefinancierd te krijgen. Wel is het Europese gesternte wat beter geworden: de Commissie heeft met het oog op de grote wereldproblemen (voedsel, energie, klimaat) opbrengstverbetering in de landbouw tot prioriteit verklaard. Onderzoek naar fotosynthese past daarin.

Klein Lankhorst: "Voor de hand liggende kandidaten, zoals energiebedrijven, krijg ik er niet warm voor. Die kijken naar een paar windmolens en een veld zonnecellen hier en daar, en dan houdt het op. De chemische sector heeft straks veel meer biomassa nodig, als we naar een groene chemie willen. En je wilt daarvoor niet de concurrentiestrijd aangaan met de voedselproductie, want die strijd verlies je. Wij kunnen zorgen dat die biomassa er straks zal zijn. Maar ze hebben geen belangstelling. Het verminderen van de klimaatrisico's is van levensbelang voor verzekeraars. Maar investeren in onderzoek naar het verminderen van die risico's zullen ook zij niet doen."

Zaadveredelaars

Bedrijven die straks zeker vruchten plukken van het sleutelen aan de motor van de fotosynthese zijn de zaadveredelaars. Maar zelfs die komen niet over de brug. Nóg niet. Ze zien de mogelijkheden gloren, maar voorbij hun tijdshorizon. "Goed plan, zeggen veel bedrijven, kom over vijf jaar maar eens terug."

"We weten zeker dat we enorme vooruitgang zullen boeken", zegt Klein Lankhorst. "Maar we hebben tien tot vijftien jaar nodig om tot bruikbare en verantwoorde toepassingen te komen. Je wilt bijvoorbeeld niet dat als je de fotosynthese versnelt, je gewas meer water en kunstmest nodig heeft. Want door de klimaatverandering zal voor landbouw juist minder water beschikbaar zijn.

"Maar succes gaat er komen. En heel veel geld hebben we niet nodig, zeker niet in vergelijking met andere takken van wetenschap zoals deeltjesfysica of kernfusie. Voor een internationaal onderzoeksprogramma naar fotosynthese is ongeveer 1 miljard nodig voor tien jaar." Een koopje, schertst Klein Lankhorst.

► Planten, algen en sommige bacteriën maken uit kooldioxide en water glucose, een suiker die kan worden gebruikt als bouwsteen voor celmateriaal, energiebron en voedsel. Die glucose is het resultaat van fotosynthese.

► Fotosynthese lijkt een simpel proces, maar de onderliggende machinerie is zeer complex.

► Het mechanisme wordt in gang gezet door tal van enzymen, maar pas enkele jaren geleden raakte de laatste van die enzymen bekend.

►Zuurstof is een afvalproduct van de fotosynthese, dat door de plant in de atmosfeer wordt geloosd. Het is een agressieve en destructieve stof, waar de plant zelf helemaal niet tegen kan. Zuurstof kwam in de oorspronkelijke atmosfeer van de aarde niet voor, maar maakt er nu 20 procent van uit.

► Planten riepen met die uitstoot een ramp af over zichzelf, en hebben zich moeten aanpassen om die te overleven. Maar het heeft wel het ontstaan mogelijk gemaakt van al die levensvormen die níét middels fotosynthese zelfvoorzienend zijn, waaronder de mens.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met De Morgen?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van De Morgen rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234