Met een aantal extra genen kun je een weeffoutje in de natuurlijke fotosynthese omzeilen zodat planten tientallen procenten meer biomassa gaan aanmaken. Het zou op termijn het wereldvoedselprobleem kunnen oplossen, juichen Amerikaanse onderzoekers enigszins voorbarig in een spraakmakende Science-publicatie.

Hun verhaal draait om het enzym ribulose-1,5-bisfosfaat carboxylase/oxygenase, afgekort Rubisco, dat bij zogeheten C3-planten CO₂ laat reageren met ribulose 1,5-bisfosfaat als eerste stap van de omzetting in suikers. Rubisco is berucht om zijn inefficiëntie: in planten is het verreweg het meest voorkomende eiwit, en toch is het de beperkende factor binnen het fotosyntheseproces en een belangrijke reden dat planten niet groter worden dan ze van nature zijn.

Een van de weeffoutjes in Rubisco is dat het niet erg selectief is. In plaats van CO₂ kan het ook O₂ invangen en dát met ribulose 1,5-bisfosfaat laten reageren. Omdat de O₂-concentratie in de atmosfeer vele malen hoger is, gaat het in de praktijk een op de vier of vijf keer mis.

In plaats van twee 3-fosfoglyceraatmoleculen (PGA) levert deze ’fotorespiratie’ één PGA en één 2-fosfoglycolaat op. Dat laatste molecuul remt enkele andere processen binnen de fotosynthese. De plant kan het wel weer afbreken, maar daar gaat een substantieel deel aan op van de energie die de fotosynthese oplevert.

Voor natuurlijke groeiprocessen werkt Rubisco perfect en pogingen om het te verbeteren via genetische modificatie hebben tot nu toe heel weinig succes gehad. In het kader van het Realizing Increased Photosynthetic Efficiency-project (RIPE) besloten Paul South, Donald Ort en collega’s van de University of Illinois daarom om Rubisco ongemoeid te laten en in plaats daarvan een verbeterd metabolisme voor de recycling van 2-fosfoglycolaat in te bouwen in de chloroplasten. Als modelorganisme diende de tabaksplant, simpelweg omdat daar relatief gemakkelijk mee valt te werken.

Ze probeerden drie combinaties van genen uit, onder meer afkomstig uit E.coli, de zandraket en de pompoen, en met de beste daarvan knutselden ze verder. Uiteindelijk leverde het tabaksplanten op die 40 % meer biomassa aanmaken dan normaal.

Of deze photorespiratory shortcut echt de langverwachte doorbraak op landbouwgebied is, moet worden afgewacht. Bij de tabaksplanten leek de extra biomassa met name in de stengels te gaan zitten. Dat is leuk wanneer je brandstoffen wilt kweken, maar bij voedingsgewassen heb je liever dat de winst in de zaden of de vruchten belandt. Of de truc bij andere C3-gewassen überhaupt zo goed werkt, moet eveneens worden afgewacht - al lijkt de kans daarop groot omdat in Rubisco en aanpalende processen heel weinig variatie zit.

Ort wijst er alvast op dat alleen al in de Midwest, het belangrijkste landbouwgebied van de VS, de verliezen door fotorespiratie overeenkomen met de voedselinname van 200 miljoen mensen.

bron: Science, University of Illinois