Wetenschappers hebben ontdekt dat een enkele genetische aanpassing in gewassen ertoe kan leiden dat planten tot 25 procent minder water nodig hebben om een normale opbrengst te produceren.
De doorbraak kan betekenen dat we veel meer monden kunnen voeden dan gedacht. Landbouw verbruikt nu 90 procent van het zoetwater wereldwijd. Maar om de vraag van de stijgende wereldbevolking aan te kunnen moet de productie van gewassen nog drastisch toenemen. Daarvoor is meer water nodig dan beschikbaar is.
Een internationaal team van wetenschappers onder leiding van Katarzyna Glowacka van het Carl R. Woese Institute for Genomic Biology in Illionois heeft daarom gewassen genetisch gemodificeerd. Door de aanpassing hebben ze 25 procent minder water nodig hebben terwijl hun opbrengst gelijk blijft. Dit is hun gelukt door de expressie van één gen te veranderen dat in alle planten voorkomt. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications
Door de genetische aanpassing werd de concentratie van een eiwit genaamd PsbS verhoogd. Dit eiwit is een belangrijk onderdeel van een communicatiesysteem in de plant dat de lichthoeveelheid detecteert. Door het verhogen van PsbS denkt de plant dat er niet genoeg lichtenergie is voor fotosynthese. Deze slimme truc zorgt ervoor dat de plant zijn huidmondjes gedeeltelijk sluit.
Huidmondjes hacken
Huidmondjes zijn microscopisch kleine poriën van planten die fungeren als poortwachters. Wanneer ze open staan kan kooldioxide de plant binnendringen en kan fotosynthese plaatsvinden. Doordat ze open staan zweet de plant als het ware ook en ontsnapt er water.
Bij de gemodificeerde gewassen met half gesloten huidmondjes was de watergebruikefficiëntie met 25 procent verhoogd. Dit is de verhouding van koolstofdioxide die de plant binnentreedt ten opzichte van het water dat ontsnapt. Doordat de koolstofdioxideconcentratie in onze atmosfeer in de afgelopen 70 jaar met 25 procent is toegenomen, konden de planten nog steeds voldoende koolstofdioxide opnemen – zelfs met half gesloten huidmondjes.
Omdat de rol van PsbS universeel is voor planten zoals rijst, graan en mais zou deze manipulatie ook bij deze gewassen moeten werken. Daarmee zouden de oogsten wereldwijd – en dan vooral in drogere gebieden – significant kunnen verbeteren.
Droge gronden
Voor het onderzoek werd de tabaksplant gebruikt, een modelgewas dat gemakkelijker aan te passen is dan andere gewassen. De onderzoekers willen nu op basis van hun bevindingen ook de watergebruiksefficiëntie van voedselgewassen verbeteren.
Omdat de rol van PsbS universeel is voor planten zoals rijst, graan en mais zou de manipulatie ook hier succesvol moeten zijn. Daarmee zouden de oogsten wereldwijd – en dan vooral in drogere gebieden – significant kunnen verbeteren.
‘In de huidige testcondities kregen onze planten nog meer water dan ze nodig hebben, maar dat zal in het echt niet altijd het geval zijn’, zegt Glowacka. ‘Wanneer water beperkt is, verwachten we dat deze gemodificeerde gewassen sneller groeien en meer opbrengst opleveren dan niet-gemodificeerde gewassen’.
Stephen Long, directeur van het Realizing Increased Photosynthethic Efficiency project dat meehielp aan het onderzoek, spreekt van een belangrijke doorbraak. ‘De landbouwopbrengsten zijn de afgelopen zestig jaar gestaag verbeterd, maar de hoeveelheid water die nodig is om een ton graan te produceren blijft ongewijzigd’, zegt Long. ‘De evolutie heeft geen gelijke tred gehouden met deze snelle verandering, dus hebben wij als wetenschappers een handje geholpen.’
Het onderzoek bouwt voort op eerder werk waaruit bleek dat een toename in PsBS en twee andere eiwitten de fotosynthese en productiviteit van gewassen tot wel twintig procent kan doen toenemen. Het team is nu van plan om de bevindingen van beide onderzoeken te combineren waarmee ze de optimale balans tussen de expressie van de drie eiwitten hopen te vinden.
Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.
Lees verder: