Stephen P. Long, een professor plantwetenschappen en plantenbiologie (midden) met postdoctorale onderzoekers Johannes Kromdijk, (links) en Katarzyna Glowacka (rechts), ontwikkelden gewassen die water 25 procent effectiever gebruiken door het niveau van een eiwit in de plant te verhogen.
Het onderzoek is onderdeel van een ineternationaal project Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) dat wordt gesteund door de Bill & Melinda Gates Foundation, de Foundation for Food and Agriculture Research en het U.K. Department for International Development.
"Dit is een belangrijke doorbraak," zegt RIPE directeur Stephen Long van Ikenberry Endowed Chair of Plant Biology and Crop Sciences. "Gewasopbrengsten zijn de afgelopen 60 jaar gestaag toegenomen, maar de benodigde hoeveelheid water om een ton graan te oogsten, is onveranderd gebleven. Dit heeft velen doen aannemen dat deze factor niet kon veranderen. Door te bewijzen dat onze theorie ook in de praktijk werkt, zou de deur moeten openen voor veel meer onderzoek en ontwikkeling om dit belangrijke doel in de toekomst te verwezenlijken."
Het internationale onderzoeksteam heeft de niveaus van een fotosynthetische proteïne (PsbS) verhoogd om water te conserveren door planten te stimuleren hun huidmondjes (Eng: 'stomata') gedeeltelijk te sluiten. Dit zijn microscopisch kleine poriën in het blad die water toelaten te ontsnappen. Deze stomata zijn de poortwachters van de plant: wanneer ze open zijn, komt koolstofdioxide de plant binnen als brandstof voor de fotosynthese. Maar tegelijkertijd ontsnapt er vocht in het proces van transpiratie.
"Deze planten beschikten over meer water dan ze voor zichzelf nodig hadden, maar dat zal niet altijd het geval zijn," zegt mede eerste auteur Katarzyna Glowacka, een postdoctorale onderzoeker die dit onderzoek leidde aan het Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB). "Wanneer water beperkt beschikbaar is, zullen deze aangepaste planten sneller groeien en meer oogsten. Ze zullen een mindere prijs hoeven te betalen dan hun niet-gemodificeerde tegenhangers."
Het team verbeterde de ook waterverbruik efficiëntie van de plant. Dat is de ratio van koolstofdioxide die de plant binnenkomt ten opzichte van de transpiratie van vocht die de plant verliest. De efficiëntie daarvan steeg met 25 procent zonder significant verlies van fotosyntheseproductie of een verlaagde oogst in veldproeven. De afgelopen 70 jaar is de concentratie van koolstofdioxide in de atmosfeer met 25 procent toegenomen, waardoor een plant voldoende koolstofdioxide kan opnemen zonder daarvoor de stomata volledig te hoeven openen.
"De ontwikkeling van de planten heeft geen pas gehouden met deze snelle veranderingen en daarom helpen wetenschappers een handje," aldus Long, die eveneens professor plantwetenschappen is aan de universiteit van Lancaster.
Er zijn vier factoren die het openen en sluiten van de stomata kunnen aansturen: luchtvochtigheid, koolstofdioxideniveaus, de kwaliteit van het licht en de hoeveelheid licht. Dit onderzoek is het eerste dat succes rapporteert met aangepast gedrag van de stomata in reactie op de hoeveelheid licht.
PsbS is een een sleutelonderdeel van een signaleringssysteem in de plant dat informatie doorgeeft over de lichthoeveelheid. Door PsbS te verhogen, zegt het signaal dat er niet genoeg lichtenergie is voor de plant om te fotosynthetiseren. Dit stuurt de sluiting van de stomata, omdat koolstofdioxide niet nodig is als brandstof voor de fotosynthese.
Dit onderzoek is een aanvulling op eerder werk dat gepubliceerd werd in 'Science', dat aantoonde dat de verhoging van PsbS en twee andere eiwitten de fotosynthese en de productiviteit met 20 procent kunnen verhogen. Het team plant nu om de resultaten van deze beide onderzoeken te combineren om de productie en het waterverbruik te verbeteren door de expressie van deze drie eiwitten te balanceren.
Voor dit onderzoek testte het team hun hypothese door gebruik te maken van de tabaksplant. Dit is een modelgewas dat makkelijk is aan te passen en sneller getest kan worden dan veel andere gewassen. Nu zullen ze hun ontdekkingen toepassen in voedselgewassen en hun efficiëntie meten in omstandigheden met beperkte waterbeschikbaarheid.
"Gewassen meer efficiënt met water om laten gaan is waarschijnlijk de grootste uitdaging voor tegenwoordige en toekomstige plantwetenschappers," zegt mede eerste auteur Johannes Kromdijk, een postdoctorale onderzoekers aan het IGB. "Onze resultaten tonen aan dat verhoogde PsbS expressie planten toestaan zuiniger met water om te gaan. Wij denken dat dit zal helpen om de beschikbare waterhulpbronnen beter te verdelen over de duur van het teeltseizoen en zal bijdragen gewassen productief te houden in periodes van droogte."
De publicatie, "Photosystem II subunit S Overexpression Increases the Efficiency of Water Use in a Field-Grown Crop," is gepubliceerd in Nature Communications. Co-auteurs zijn Katherine Kucera, Jiayang Xie, Amanda Cavanagh, Lauriebeth Leonelli, Andrew Leakey, Donald Ort, en Krishna Niyogi.
Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) modificeert gewassen om de energie van de zon meer effectief om te zetten in voedsel om wereldwijd de duurzaamheid van de voedselproductie te verhogen. Het project wordt gesteund door de Bill & Melinda Gates Foundation, the Foundation for Food and Agriculture Research, en het U.K. Department for International Development.
RIPE wordt geleid door de University of Illinois in partnerschap met de University of Essex, Lancaster University, Australian National University, Chinese Academy of Sciences, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, University of California, Berkeley, and Louisiana State University, en USDA/ARS.