Uw profiel is aangemaakt

U heeft een e-mail ontvangen met een activatielink. Vergeet niet binnen 24 uur uw profiel te activeren. Veel leesplezier!

De oplossing zit onder de motorkap van de plant

Home

Willem Schoonen

"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 daarop aangepast zouden zijn, zouden ze het veel beter doen." © ullstein bild via Getty Images
WETENSCHAP

Meer voedsel nodig? Meer energie? En minder CO2? Dat kan. Door de motor van de plant op te voeren.

Anders dan wij, kunnen planten met behulp van zonlicht hun eigen bouwstoffen en energie maken. Fotosynthese heet het proces (zie kader), en de hele wereld draait erop. Willen we die wereld, met zijn groeiende bevolking, draaiende houden en dan ook nog op een duurzame manier, dan moeten planten veel meer voedsel, energie en bruikbare biomassa leveren dan ze nu doen. Fotosynthese, de groene motor van het leven op aarde, moet worden opgevoerd.

Lees verder na de advertentie

Dat heeft de mens nog nooit gedaan. Hij heeft eeuwenlang planten gekruist en veredeld om de beste varianten te krijgen. Hij heeft her en der gewassen genetisch veranderd om meer opbrengst te krijgen. Hij heeft de plant water gegeven, goede grond en kunstmest. Maar aan de motor van de plant heeft hij nog niet gesleuteld. Dat gaat hij nu doen.

De crux is dat licht de fotosynthese aandrijft en dus goed is voor de plant, maar te veel licht niet

De eerste resultaten zijn er al, en ze zijn spectaculair. De Nederlandse plantwetenschapper Wanne Kromdijk, werkend onder leiding van Stephen Long aan de universiteit van Illinois (VS), publiceerde 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. Ze deden dat door te sleutelen aan een onderdeel van de fotosynthese van de plant. Long had ontdekt hoe de schakelbak van de fotosynthesemotor werkt.

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 die soms het licht wegnemen en dan weer de zon doorlaten.

Tekst loopt door onder afbeelding. 

© Photo News

Schakeltijd

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. 

In de Formule 1 van de fotosynthese zitten woes­tijn­plan­ten. De zaden van die planten moeten soms jaren wachten op een beetje regen

Een resultaat als dat van Kromdijk en 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.

Tekst loopt door onder afbeelding. 

© Rob Huibers/Hollandse Hoogte

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."

In de fotosynthese van land­bouw­ge­was­sen wordt wereldwijd 14 gigaton CO2 per jaar gebruikt

"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."

En zo ver hoef je niet eens te komen. Een verdubbeling van de productie zou al antwoord geven 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. De CO2 die gewassen opnemen komt deels wel weer vrij natuurlijk, doordat we ze eten of verstoken. Maar als je de fotosynthese kunt versnellen, kan de extra opname van CO2 een aanzienlijke bijdrage leveren aan de doelstelling van het klimaatakkoord. Het scheelt netto zo'n 4 gigaton CO2 per jaar, schat Klein Lankhorst.

Het kán. En het gaat gegarandeerd resultaat opleveren, bedrijvigheid en veel geld. En toch blijkt het niet eenvoudig om onderzoek naar het versnellen van fotosynthese gefinancierd te krijgen. Wel is het Brusselse gesternte wat beter geworden: de Europese Commissie heeft met het oog op de grote wereldproblemen (voedsel, energie, klimaat) opbrengstverbetering in de landbouw tot prioriteit verklaard. Onderzoek naar fotosynthese past daarin. In eigen land is het echter moeizaam.

Voor de hand liggende kandidaten, zoals ener­gie­be­drij­ven, krijg ik er niet warm voor

René Klein Lankhorst

Klein Lankhorst heeft de afgelopen jaren een nationaal onderzoeksprogramma geleid, Biosolar Cells. Daarin werd niet alleen gekeken naar de versnelling van fotosynthese in planten en algen, maar ook naar het nabootsen van de natuur: kunstmatige fotosynthese voor de productie van bijvoorbeeld waterstof, een brandstof, of methanol, een grondstof voor de chemie. 

Maar Biosolar Cells werd gefinancierd uit de aardgasbaten, die toen nog deels werden ingezet voor kennisontwikkeling en wetenschappelijk onderzoek. Die kraan heeft de overheid echter dichtgedraaid. En daarmee zijn programma's als Biosolar Cells, en dat is zeker niet het enige, tot een eind gekomen.

Tekst loopt door onder afbeelding. 

© UIG via Getty Images

Wageningen Universiteit maakt samen met de Universiteit Utrecht wel kans op een investeringssubsidie voor labfaciliteiten in beide steden voor nauwkeurig experimenteel onderzoek aan fotosynthese. Klein Lankhorst: "Daarin kunnen we precies volgen wat er in de plant gebeurt, onder en boven de grond." Fundamenteel wetenschappelijk onderzoek dus. Maar voor een vervolg van het eerdere onderzoeksprogramma eist de overheid samenwerking met het bedrijfsleven. En bedrijven zijn moeilijk over de brug te krijgen.

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. Dat is in Nederland een wereldsector. 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."

Je stuit hier op een klassiek Nederlands probleem, zegt Klein Lankhorst: het gat tussen fundamenteel onderzoek en innovatie. "We weten zeker dat we enorme vooruitgang zullen boeken. 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.

Succes gaat er komen. En heel veel geld hebben we niet nodig

René Klein Lankhorst

"Je moet dus heel goed kijken hoe je planten daarop ontwikkelt. Het gaat ook tijd kosten om te zorgen dat de extra groei niet in stengel en blad gaat zitten, maar in de vrucht. En zo zijn er nog veel meer randvoorwaarden waarmee we rekening moeten houden. 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: "Dat bedrag zal een beetje multinational in diezelfde periode uitgeven aan zijn vrijdagmiddagborrels."

Tekst loopt door onder afbeelding. 

© Thinkstock

Wat is fotosynthese?

Planten, algen en sommige bacterien maken uit kooldioxide (CO2) en water (H2O) glucose (C6H12O6), een suiker die voor vele doelen kan worden gebruikt: als bouwsteen voor celmateriaal, energiebron en voedsel. Die glucose is het resultaat van fotosynthese.

Te oordelen naar zijn resultaat is fotosynthese een simpel proces, maar schijn bedriegt, want de onderliggende machinerie is zeer complex. Fotosynthese is een samenspel van vele chemische reacties, die in gang worden gezet door tal van enzymen. Het mechanisme is zo ingewikkeld dat pas enkele jaren geleden de laatste van die enzymen werden opgehelderd. En onbekend is nog hoeveel genen de fotosynthese aansturen, het zijn er zeker honderden en misschien wel duizend.

De fotosynthesemotor heeft twee grote blokken. In het eerste wordt zonlicht gebruikt om energiedragende stoffen te maken die in de cel kunnen worden opgeslagen. Dit blok wordt de lichtreactie genoemd. In het tweede blok, de donkerreactie, wordt de opgeslagen energie gebruikt om glucose te maken uit kooldioxide en water.

Zuurstof is een afvalproduct van de fotosynthese, dat door de plant in de atmosfeer wordt geloosd

De ontrafeling van de fotosynthese is een geschiedenis die begint in het midden van de zeventiende eeuw, toen de Brusselse arts en onderzoeker Jan van Helmont aantoonde dat planten groeiden zonder dat de grond waarin ze stonden lichter werd. Helmont concludeerde dat water de bron was van hun aanwas.

Het zou anderhalve eeuw duren voor duidelijk werd dat dit maar de helft van het verhaal was, en dat planten ook CO2 nodig hebben voor hun groei. Die ontdekking kwam voort uit een waarneming van de veelzijdige Britse wetenschapper Joseph Priestley, die zag dat een kaars onder een stolp uitging lang voor hij op was, maar dat dat niet gebeurde als er onder die stolp ook een plant stond. Priestley sprak van 'verwonde lucht' die door de plant werd geheeld.

Tekst loopt door onder afbeelding. 

© Thinkstock

De Nederlandse arts Jan Ingenhousz toonde vervolgens aan dat planten hiervoor zonlicht nodig hadden. En niet lang daarna kwamen de Zwitserse onderzoekers Jean Senebier en Nicolas-Théodore de Saussure erachter dat die verwonde lucht CO2 was, die door de plant werd opgenomen. In ruil daarvoor geeft de plant zuurstof af, die de kaars laat branden.

Zuurstof is een afvalproduct van de fotosynthese, dat door de plant in de atmosfeer wordt geloosd. Die uitstoot is een van de grootste milieurampen in de geschiedenis van de aarde. Zuurstof is een agressieve en destructieve stof, waar de plant zelf helemaal niet tegen kan. Het 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 flink moeten aanpassen om die te overleven, maar de zuurstof heeft het ontstaan mogelijk gemaakt van al die levensvormen die níét middels fotosynthese zelfvoorzienend zijn, waaronder de mens.

Deel dit artikel

De crux is dat licht de fotosynthese aandrijft en dus goed is voor de plant, maar te veel licht niet

In de Formule 1 van de fotosynthese zitten woes­tijn­plan­ten. De zaden van die planten moeten soms jaren wachten op een beetje regen

In de fotosynthese van land­bouw­ge­was­sen wordt wereldwijd 14 gigaton CO2 per jaar gebruikt

Voor de hand liggende kandidaten, zoals ener­gie­be­drij­ven, krijg ik er niet warm voor

René Klein Lankhorst

Succes gaat er komen. En heel veel geld hebben we niet nodig

René Klein Lankhorst

Zuurstof is een afvalproduct van de fotosynthese, dat door de plant in de atmosfeer wordt geloosd