Wetenschap Landbouw op z'n kop

Planten opvoeren zodat ze meer oogst opleveren: ‘Dit wordt de volgende grote revolutie’

Beeld Vilain &Gai

Planten die veel sneller groeien, velden die meerdere keren per seizoen oogst opleveren. De mens staat op het punt de fotosynthese te hacken. Het zal, zeggen alle betrokkenen, de landbouw op zijn kop zetten.

Bij het station van Nijmegen, uit een verwaarloosd stuk stoep bij een zanderig rangeerterrein, groeit een plantje dat de wereld kan veranderen.

Niet dat Hirschfeldia incana zo opvalt. Een platte dot onkruid waaruit soms sprieterige bloempjes groeien, meer is het niet. Toch herbergt ‘grijze mosterd’, zoals kenners hem noemen, een geheim zo bijzonder dat promovendus  Pádraic Flood met de grootste zorg wat van zijn zaden heeft geoogst en meegenomen naar een kweekkas in Wageningen. Daar staat de plant nu, terwijl hoogleraar plantengenetica Mark Aarts en universitair hoofddocent Jeremy Harbinson verrukt naar hem kijken en zeggen: ‘Dit is onze kampioen. Hij doet het supergoed.’

Grijze mosterd, Hirschfeldia incana

Want laat grijze mosterd zijn gang gaan, en binnenin komt hij tot leven op een manier waarvan andere groene planten nog kunnen leren. Lichtdeeltjes prikkelen zijn bladgroenkorrels, enzymen plukken kooldioxide uit de lucht, atomen klikken aaneen tot suikers en eiwitten; bij grijze mosterd gaat het allemaal veel soepeler dan bij andere planten. Het Nijmeegse onkruid beheerst de kunst van de fotosynthese – het omzetten van water, kooldioxide en licht in groene materie – veel beter dan andere planten.

Toevallig ontdekt in Australië, vertelt Harbinson, een uit Ierland overgewaaide bioloog met een rond gezicht en een druk bespikkeld overhemd. ‘Een fotosynthese-onderzoeker plukte er een uit de tuin, om zijn apparatuur te testen. Blijkt hij puur toevallig een superster op het gebied van fotosynthese te hebben gekozen.’

Fotosynthese in 80 woorden

Fotosynthese is het proces waarbij groene planten CO2 en water omzetten in suikers en materie, aangevuurd door zonlicht. De fotosynthese vindt plaats in bladgroenkorrels en bestaat uit twee systemen: een ‘lichtreactie’ waarbij zonlicht water omzet in zuurstof en energie, en een ‘donkerreactie’ waarbij de bladgroenkorrel de energie gebruikt om CO2 om te zetten in suikers. Het proces is ooit ontstaan in lichtgevoelige ‘cyanobacteriën’ (blauwalgen): de bladgroenkorrel is in feite een cyanobacterie die in symbiose met de plant is gaan leven.

Met fotosynthese is iets raars aan de hand. Het proces, geëvolueerd in een tijd toen er honderden keren meer CO2 in de atmosfeer zat dan nu, werkt maar op een heel laag pitje. Slechts een 0,5 procent van binnenvallend zonlicht gebruikt een groene plant voor fotosynthese, en dat is toch zoiets als een restaurantbezoeker die een hele maaltijd bestelt om er vervolgens maar een paar happen van te nemen. Zonde, inefficiënt, lui, zeggen biotechnologen altijd. Al is dat natuurlijk maar net hoe je het bekijkt, benadrukt hoogleraar plantengenetica Mark Aarts: ‘Voor de natuur is het ongetwijfeld goed genoeg.’

Maar achter de schermen rommelt het. De afgelopen paar jaar lukte het in enkele experimenten de fotosynthese van groene testplanten zoals de zandraket en de tabaksplant met tientallen procenten op te voeren, met als resultaat planten die tot wel anderhalf keer zo hard groeien als de onveranderde exemplaren. Futuristische toestanden: zo kweekte een Londense onderzoeksgroep onder leiding van biochemicus Bill Rutherford losse paarse en gele bladgroenkorrels die ook energie uit infraroodlicht absorberen – wat zicht biedt op paarse planten die doorgroeien bij nacht.

En meer is op komst. Reikhalzend zien kenners uit naar de resultaten van ’s werelds eerste experiment met opgevoerd graan, in een streng bewaakt proefveld van de Universiteit van Essex bij Londen. In de Amerikaanse staat Illinois test een ander team intussen superfotosynthese in Afrikaanse kousenband en soja. ‘De puzzelstukjes beginnen op hun plaats te vallen’, signaleert Wanne Kromdijk, een Nederlandse plantenfysioloog die in Illinois onderzoek deed naar fotosynthese. ‘De eerstvolgende grote doorbraak is dat we nu eindelijk gaan zien of dit ook werkt in gewassen waar we vrolijk van worden, in plaats van testplanten als tabak. Krijgen we hier echt meer voedsel door?’

Dit wordt de volgende grote revolutie, zegt bijna iedereen die je erover spreekt. De knaller die de landbouw volledig op zijn kop gaat zetten. ‘Je moet denken aan gewassen die veel sneller en groter groeien dan ze nu zijn’, vertelt Harbinson. ‘En aan velden die meerdere keren per seizoen oogst opleveren.’

En dat niet alleen. Superfotosynthese zal de plant ook meer en diepere wortels geven, verwacht Harbinson, en daardoor kan de plant meer koolstof ondergronds opslaan. Het gevolg: gezondere, beter doorvoede bodems, meer bodemleven en meer afvang van CO2 uit de lucht. Volgens sommige berekeningen zou een paar procent fotosynthese erbij al genoeg zijn om de helft van al het door de mens uitgestoten koolstof in de grond te laten verdwijnen. Een deel daarvan komt later weer vrij als de plant sterft, in de vorm van rottingsgas. Maar een gigaton of wat sijpelt naar beneden, versteent, verdwijnt uit omloop.

En alsof CO2-slurpende velden met metershoge maisstengels nog niet spannend genoeg zijn – moet je de bijvangst zien. Grotere en vollere gewassen betekenen minder land, zodat er meer plek overblijft voor natuur en energiegewassen als suikerriet, oliezaad, olifantsgras en stookhout, hard nodig om de klimaatdoelen te halen. Zeker een oppervlak zo groot als India vol biogewassen is daarvoor vereist, bleek vorig najaar uit een analyse.

Bovendien hebben de supergewassen onverwachte milieuvoordelen, vertelt Kromdijk, skypend vanuit Cambridge, waar hij tegenwoordig werkt. Zo ontdekte hij dat een tabaksvariant waarvan hij de fotosynthese had opgevoerd een kwart minder water gebruikt. ‘Dat was een volslagen verrassing’, zegt hij. Ook gaan opgevoerde gewassen naar men verwacht efficiënter om met stikstof, wat zou betekenen dat de plant minder kunstmest nodig heeft en minder lachgas (N2O) uitwasemt, een broeikasgas. ‘We willen de plant geen grotere motor geven, maar een motor die efficiënter loopt’, vertelt Kromdijk. ‘Dan zijn dit de voordelen die je erbij krijgt.’

Moet het alleen nog wel even lukken. Zo’n 140 stappen telt de keten waaruit de fotosynthese bestaat. Een eindeloos ingewikkelde opeenvolging van chemische reacties, zijstappen, versnellingen en terugkoppelingen, waarbij nu weer afvalstoffen vrijkomen die de plant moet wegwerken, dan weer hormoonsignaaltjes opduiken die de boel stilleggen en de volgende keer opeens weer de energievoorziening uitvalt omdat de elektronen op zijn.

‘Aanvankelijk dachten we: dit doen we even, door bestaande rassen te veredelen’, zegt Harbinson, die al aan fotosynthese werkte toen Doe Maar nog in de hitparade stond. ‘Maar het bleek veel ingewikkelder dan dat.’

Supergroei in huis!

Om wonderbaarlijke fotosynthese in actie te zien: kijk niet verder dan uw vensterbank of tuin. Veel kamer- en tuinplanten stammen af of zijn verwant aan woestijnsoorten, en die staan bekend om hun snelle fotosynthese, omdat er in de woestijn weliswaar veel zonlicht is, maar slechts beperkt water. Na regen moeten planten er dus vol aan de bak – en daar heeft de evolutie ze op geoptimaliseerd.

Belangrijke aanjager van de nieuwe lente is een invloedrijk stand-van-zakenartikel dat in 2010 verscheen in het vakblad Annual Review of Plant Biology. De fotosynthese in één klap omgooien is er voorlopig niet bij, constateren Don Ort, Steve Long en Xin-Guang Zhu van de Universiteit van Illinois daarin. Maar niet getreurd: het dekselse proces heeft zeker negen zwakke plekken die je best kunt verbeteren.

De blaadjes beter in de zon zetten zal een procent of 30 winst opleveren, beschrijft Ort onder meer. Lichter getinte blaadjes waardoor zonlicht dieper in het bladerdek kan doordringen: nog eens 30 procent erbij. Een betere verwerking van CO2 binnen in de bladgroenkorrels: opnieuw 30 procent. ‘Alle veranderingen bij elkaar hebben de potentie om de opbrengst van onze belangrijkste gewassen meer dan te verdubbelen’, aldus Ort.

En dat moet ook wel, schrijft de groep. Tot dusver kan de landbouw de bevolkingsgroei vrij aardig bijbenen, dankzij de tsunami van verbeteringen in teelt, bemesting en rassen die bij elkaar de Groene Revolutie heet. Maar de revolutie begint onderhand uitgewerkt te raken. Zo gaat de opbrengst van rijst per hectare rijstveld al zo’n tien jaar niet meer omhoog. En dat terwijl de bevolking welvarender wordt, meer en luxueuzer eet en groeit bovendien, tot naar verwachting zo’n 10 miljard monden in 2050. Dat betekent dat de productiviteit met 60 tot liefst 120 procent omhoog moet, becijferde een ander team.

Dat was precies de peptalk die nodig was. De liefdadigheidsstichting van Bill en Melinda Gates trapte een groot onderzoeksproject af om de fotosynthese van gewassen als cassave, soja en kousenband te verbeteren, en in Wageningen verklaarde bestuursvoorzitter Louise Fresco het hacken van de fotosynthese tot speerpunt: de ‘heilige graal van ons vak’, zei ze vorig jaar nog tegen deze krant.

Inmiddels begint het onderzoek steeds opvallender resultaten op te leveren. Neem ‘Rubisco’, een cruciaal enzym dat verantwoordelijk is voor het verwerken van CO2. Mooi, ware het niet dat Rubisco uitermate slonzig te werk gaat: een op de vijf keer pakt het enzym het verkeerde molecuul, zuurstof in plaats van CO2. Waarna er rommel ontstaat die de plant moet opruimen – wat de fotosynthese weer ophoudt. Orts team zette een paar efficiëntere opruimmoleculen aan het werk, uit de pompoen en uit algen: prompt werden zijn tabaksplanten 40 procent groter. ‘Dat zien we steeds’, schetst Aarts. ‘Verbeter iets aan het proces, en metéén zie je een zeer opvallende vooruitgang. Erg bemoedigend.’

Of neem de ontdekking waarmee Wanne Kromdijk anderhalf jaar geleden het wereldnieuws haalde. Werkend voor het project van de Bill en Melinda Gates Foundation spande Kromdijk een chemisch veertje aan in de fotosynthese, waardoor een plant sneller terugspringt naar volledige fotosynthese als hij van fel licht in de schaduw komt. Hup: weer 15 procent biomassa erbij. In Australië bouwden anderen intussen een soort CO2-vangende ballonnetjes uit algen in bij planten: in theorie goed voor nog eens 25 procent meer groen.

Maar bij zulke opzichtige resultaten horen ook bedenkingen. Want al dat technische gesleutel, alsof zo’n plant een ouwe brommer is, móét dat nou? ‘Er is iets mis met de natuur en we zullen het wel even herstellen’, vat ethicus Bernice Bovenkerk (Universiteit van Wageningen) de onderliggende gedachte samen.

Geen misverstand erover: ‘Als je een plant kunt ontwikkelen die minder grondstoffen gebruikt en meer produceert, dan heb ik daar heus niet per se iets op tegen’, benadrukt Bovenkerk. ‘Maar ga je die extra productiecapaciteit vervolgens gebruiken om de natuur en het milieu te ontlasten, of alleen maar om in nog meer menselijke behoeften te voorzien?’

Pimp je plant

Talloze manieren zijn er om de fotosynthese op te voeren. Hier enkele van de opvallendste.

1. Neem een betere dimmer

Het probleem: bij fel zonlicht zet de plant zijn fotosynthese zachter. Eenmaal weer in de schaduw duurt het een tijd voordat de plant weer ‘aanslaat’.

Oplossing: bouw een snellere terugschakeling in. Of zorg voor meer rechtopstaande bladeren die minder vol in de zon komen te staan.

Status: de eerste oplossing lukt bij tabak: 15 procent biomassa erbij. De tweede oplossing wordt al volop toegepast in verdelingsprogramma’s voor onder meer mais en rijst.

2. Word doorschijnend

Het probleem: de lichtverwerkende onderdelen (‘thylakoïdes’) zijn zo dicht opeengepakt dat licht slecht in het blad kan doordringen.

Oplossing: maak deze ‘antennes’ minder hoog, zodat de blaadjes meer doorschijnend worden en licht beter verdeeld raakt door het blad.

Status: wordt momenteel in onderzoek bij onder meer tabak en soja, met hoopvolle resultaten.

3. Kleur je korrels

Het probleem: planten gebruiken maar een beperkt deel van het lichtspectrum. Bovendien hebben planten twee fotosynthese-systemen die concurreren om dezelfde lichtdeeltjes.

Oplossing: bouw het systeem van paarse algen in bij de plant, zodat hij ook infrarood kan ‘ontvangen’.

Status: met succes getest in de reageerbuis, vervolgonderzoek gaande.

4. Neem een CO2-pomp

Het probleem: de aanvoer van CO2 is gebrekkig, omdat het gas blijft hangen tussen de cellen en omdat het verwerkingsenzym Rubisco traag en onzorgvuldig is.

Oplossing: voorzie de bladgroenkorrels van ‘carboxysomen’, ballonnetjes die CO2 verzamelen, afkomstig uit cyanobacteriën of bepaalde primitieve planten.

Status: in onderzoek bij tabak.

5. Ruim je rommel op

Het probleem: bij het verwerken van CO2 ontstaan afvalproducten, waarna de plant veel energie steekt in het afbreken ervan.

Oplossing: geef de plant een systeem dat het afval efficiënter afbreekt.

Status: getest bij tabak, 40 procent meer biomassa.

6. Versnel de aanvoer van grondstof

Het probleem: CO2 wordt in de plant verwerkt door het te binden aan een suiker genaamd RUBP. Maar daarna moet het RUBP weer worden bijgemaakt en dat kost veel energie.

Oplossing: door de plant meer van een bepaald eiwit te laten aanmaken, gaat de RUBP-verversing sneller.

Status: gaf 30 procent meer opbrengst bij tabak, nu in onderzoek bij voedingsgewassen

Een les van de Groene Revolutie is immers dat de landbouw weliswaar efficiënter werd, maar ook dat de bevolking kon doorgroeien, er nieuwe milieuproblemen zoals overbemesting ontstonden, en dat de opbrengsten vooral in de zakken van de rijken verdwenen, legt Bovenkerk uit. ‘Ik zeg niet dat het nu weer zo zal gaan. Maar je moet wel voor ogen houden: welk probleem willen we eigenlijk oplossen? En is zo’n technofix vervolgens de juiste oplossing?’

Honger is immers vooral een verdelingsvraagstuk, benadrukt ze. ‘Mensen in een conflictgebied hebben niet te weinig voedsel omdat gewassen niet hard genoeg groeien, maar omdat ze in een conflictgebied leven.’

Aan de andere kant, zegt Aarts: ‘Ik ken veel mensen die maar wat graag zouden willen dat hun akkertje met kousenband twee keer zoveel opbrengt.’ Het antwoord ligt ergens in het midden, vindt Bovenkerk. ‘Er moet in elk geval over nagedacht worden. Laten we niet vergeten dat ieder nieuw foefje ook weer nieuwe gevolgen heeft voor de inrichting van de landbouw.’

En dan is er de techniek zelf. De nieuwe superplanten zijn in de regel genetisch gemanipuleerd – men heeft er de genen van een bacterie of van een ander gewas in vastgeschroefd – en die techniek ligt in Europa zwaar aan banden en is elders op zijn minst omstreden. ‘We denken dat het zonder genetische modificatie ook kan’, zegt Aarts. ‘Maar het zou heel handig zijn als we het erbij hebben.’

Trouwens: kan dat geen kwaad, zo’n genetisch opgevoerde patjepeeër op de akker? Kan die niet ontsnappen, andere planten verdringen, de natuur overwoekeren? Neem de tweehuizige amarant (Amaranthus palmeri), ook zo’n natuurlijke krachtpatser als het om fotosynthese gaat. De plant, eetbaar en ooit landbouwgewas van Noord-Amerikaanse indianen, geldt als een plaagkruid in Azië, Europa, Afrika en Noord-Amerika zelf. En dat komt niet in de laatste plaats omdat hij zo hard groeit.

Alleen is dat een woestijnplant, gehard door millennia droogte en heftigheid op de prairie. Een geval apart. Met voedingsgewassen zit dat anders. ‘Maïs neemt ook Nederland niet over’, zoals Harbinson zegt. Dat geldt misschien nog wel meer voor de nieuwe rassen. De andere planten zien hem aankomen, met zijn fijngevoelig afgestelde fotosynthese en half doorschijnende blaadjes. ‘Ze maken gehakt van hem’, zegt Aarts.

Wat niet wegneemt dat er van natuurlijke bikkels zoals de tweehuizige amarant of het Nijmeegse plantje Hirschfeldia incana van alles valt te leren. In een lange keldergang trekt promovendus Roel van Bezouw een grote, ijzeren deur open om te tonen hoe dat leren in zijn werk gaat. We zien rijen kleine groene zaailingen, 1.440 stuks in totaal, van de zandraket Arabidopsis thaliana, laboratoriummuis onder de planten. Van Bezouw is een gen op het spoor dat de fotosynthese iets versnelt, vertelt hij. En al gaat het maar om amper 1 procent verbetering, het gen moet wél worden gevonden. ‘Ergens op chromosoom 5 moet het liggen’, zegt hij, wijzend op de plantjes. Dus worden de zandraketten hier in de kelder gekruist en gekweekt en zorgvuldig met elkaar vergeleken, zoals je uit een bak vruchten de grootste selecteert.

Want denk niet dat we er al zijn, zegt Harbinson. ‘Hoe visionair en mooi het Amerikaanse en Britse werk ook is, het geeft niet de verdubbeling in fotosynthese die we wel zien bij sommige fotosynthetische topsporters in de natuur’, zegt hij. ‘Voor de radicale veranderingen die we nodig hebben is meer nodig. Door extreme fotosynthesekampioenen te bestuderen die we vinden in de natuur, hopen we iets heel nieuws op het spoor te komen.’

Aanwijzingen genoeg. Neem het experiment van planttechnoloog Tom Theeuwen, een promovendus van Aarts, met de zandraket. Bij het proefplantje ging Theeuwen ertoe over om de bladgroenkorrels van de ene plant te husselen met de cellen van een ander. Met krankzinnig resultaat: opeens leverde een van zijn proefplantjes tot wel 30 procent meer biomassa, om redenen die hij nog niet goed begrijpt. Fotosynthese is soms net een haperende oude tv: geef hem een flinke klap, en opeens doet hij het weer, om schijnbaar onverklaarbare reden.

De fotosynthese van de toekomst zal niet één recept hebben, verwacht Wanne Kromdijk. ‘Ik denk eerder aan een palet van technieken en manieren. En welke het meest effectief is, zal per klimaatzone en per gewas verschillen.’

De boer in Afrika een opgevoerde boon die weinig water gebruikt, de Europeaan die zijn klimaatdoelstellingen wil halen een oliegewas met een onstilbare honger naar CO2, de Amerikaanse sojaproducent die vooral veel voeding wil produceren een bruinpaars gewas dat er niet uitziet maar wel in hoog tempo soja en mais aflevert.

Het is een vreemde, wat ontregelende toekomst die opdoemt. ‘Ik zeg altijd maar zo’, mijmert Harbinson. ‘Als de natuur al perfect was, had ik mijn bril niet nodig.’

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2019 de Persgroep Nederland B.V. - alle rechten voorbehouden