Dit gekke kleine plantje kan de opbrengst van tarwe en rijst mogelijk fors verbeteren

Onderzoekers hebben een bijzondere moleculaire truc ontdekt bij een unieke groep planten, die de opbrengst van belangrijke gewassen, zoals tarwe en rijst, kan verbeteren.

De studie, geleid door onderzoekers van onder meer Cornell University en de Universiteit van Edinburgh, richt zich op een fundamenteel probleem in de landbouw: het enzym dat tijdens de fotosynthese koolstofdioxide uit de lucht vasthoudt, Rubisco, werkt langzaam en inefficiënt.

“Rubisco is misschien wel het belangrijkste enzym op aarde, omdat het het startpunt vormt voor vrijwel alle koolstof in het voedsel dat we eten”, zegt onderzoeker Fay-Wei Li. “Maar het werkt traag en raakt gemakkelijk afgeleid door zuurstof, wat energie verspilt en beperkt hoe efficiënt planten kunnen groeien.”

Slimme oplossing

Sommige organismen hebben een slimme oplossing ontwikkeld. Veel algensoorten verpakken Rubisco in kleine, gespecialiseerde compartimenten in hun cellen, zogeheten pyrenoïden, eigenlijk microscopische belletjes die koolstofdioxide rond het enzym concentreren, waardoor het veel efficiënter kan werken.

Wetenschappers dromen er al lang van om zo’n soort turbosysteem in voedselgewassen te installeren, die zelf geen pyrenoïden hebben. Maar het bleek tot nu toe erg moeilijk om het mechanisme van algen over te brengen naar landbouwgewassen.

Hauwmossen

De doorbraak kwam door onderzoek naar hauwmossen, de enige landplanten waarvan bekend is dat ze CO2-concentrerende compartimenten hebben die lijken op die van algen. Omdat hauwmossen evolutionair gezien dichter bij landbouwgewassen staan dan algen, veronderstelde het onderzoeksteam dat hun moleculaire mechanismen makkelijker overdraagbaar zouden zijn. Wat ze ontdekten, was echter onverwacht. “We gingen ervan uit dat hauwmossen iets vergelijkbaars zouden gebruiken als algen, een apart eiwit dat Rubisco samenbrengt”, zegt onderzoeker Tanner Robison. “In plaats daarvan ontdekten we dat ze Rubisco zelf hebben aangepast om dat werk te doen.”

De sleutel is een ongewoon eiwitonderdeel dat de onderzoekers RbcS-STAR hebben genoemd. Rubisco bestaat uit grote en kleine eiwitonderdelen. Bij hauwmossen heeft één variant van het kleine onderdeel een extra staart, de STAR-regio, die werkt als een soort moleculair klittenband, waardoor Rubisco-eiwitten zich aan elkaar hechten en samenklonteren.

STAR is drijvende kracht

Om te testen of STAR ook buiten het oorspronkelijke hauwmos werkt, voerde het team een reeks experimenten uit. Eerst introduceerden ze RbcS-STAR in een nauw verwante hauwmossoort die geen pyrenoïden heeft. Het resultaat: Rubisco veranderde van een verspreide verdeling in de cel naar geconcentreerde structuren die op pyrenoïden lijken. Vervolgens probeerden ze hetzelfde experiment in Arabidopsis, een plant die vaak als modelorganisme in laboratoriumonderzoek wordt gebruikt. Opnieuw vormde Rubisco dichte compartimenten in de chloroplasten van de plant.

“We probeerden zelfs alleen de STAR-staart aan de eigen Rubisco van Arabidopsis te koppelen en dat veroorzaakte dezelfde klontering”, zegt Alistair McCormick, hoogleraar aan de Universiteit van Edinburgh. “Dat laat zien dat STAR echt de drijvende kracht is. Het is een modulair hulpmiddel dat in verschillende plantsystemen kan werken.”

Juist deze overdraagbaarheid maakt de ontdekking zo belangrijk voor de landbouw. Het suggereert dat onderzoekers mogelijk Rubisco-clustering in gewassen kunnen opwekken door één universeel klittenbandelement toe te voegen, in plaats van een complex systeem van meerdere componenten te moeten inbouwen.

Uitdagingen

Er zijn nog wel enkele uitdagingen. Er is nu bijvoorbeeld een soort leiding nodig om CO2 naar Rubisco te transporteren. “We hebben een huis voor Rubisco gebouwd, maar het wordt pas een efficiënt huis als we ook de ventilatie en klimaatregeling upgraden”, zegt Laura Gunn, universitair docent aan Cornell University. Het team werkt momenteel aan oplossingen voor dit probleem.

Toch vormt de ontdekking een belangrijke stap vooruit in een onderzoeksgebied met enorme potentiële impact. Zelfs een bescheiden verbetering van de efficiëntie van fotosynthese kan de opbrengst van gewassen verhogen en tegelijkertijd de milieubelasting van de landbouw verminderen, een cruciale doelstelling in de zoektocht naar duurzamere voedselproductie.

“Dit onderzoek laat zien dat de natuur al oplossingen heeft uitgeprobeerd waar wij van kunnen leren”, zegt Li. “Onze taak is om die oplossingen goed genoeg te begrijpen zodat we ze kunnen toepassen waar ze het hardst nodig zijn, in de gewassen die de wereld voeden.”

We schreven vaker over dit onderwerp, lees bijvoorbeeld ook Niet alleen palmolie en soja: ook deze gewassen kosten de wereld enorm veel bos en Onderzoekers willen nu ook gewassen gaan ‘vaccineren’. Of lees dit artikel: Weg met pesticiden: wetenschappers kunnen de geur van lieveheersbeestjes namaken om gewassen te beschermen.

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast: