Het wordt droger en droger door de opwarming van de aarde. Daardoor mislukken steeds vaker oogsten. Gewassen die bestand zijn tegen een gebrek aan neerslag, zijn dus meer dan welkom. Mogelijk biedt een vergeten groente uitkomst.
Wetenschappers van Yale beschrijven hoe Portulaca oleracea, beter bekend als postelein, twee verschillende metabole routes integreert om een nieuw type fotosynthese te creëren. Daardoor is postelein in staat om lange periodes van droogte te doorstaan, maar wel uiterst productief te blijven. “Dit is een heel zeldzame combinatie van kenmerken waardoor een soort ‘superplant’ is ontstaan. Hij kan mogelijk nuttig zijn in de gewastechniek”, zegt professor in de ecologie en evolutionaire biologie Erika Edwards van Yale.
Mais en suikerriet
Planten hebben zelf verschillende mechanismen ontwikkeld om het proces van fotosynthese te verbeteren. Zo beschikken mais en suikerriet over de zogenoemde C4-fotosynthese, waardoor de planten productief blijven onder hoge temperaturen. Vetplanten als cactussen en agaven maken dan weer gebruik van CAM-fotosynthese, waardoor ze beter kunnen overleven in de woestijn of in andere gebieden met weinig water. C4 en CAM hebben beide een andere functie maar maken gebruik van dezelfde biochemische route en zijn een toevoeging op de gewone fotosynthese (zie kader).
Uniek plantje
Wat postelein uniek maakt is dat het deze beide evolutionaire aanpassingen bezit. Daardoor kan de plant zowel tegen hoge temperaturen als tegen droogte én blijft hij toch productief. Dat is een zeldzame combinatie voor een plant. Tot nu toe werd gedacht dat C4 en CAM afzonderlijk van elkaar opereerden in de bladeren van de postelein. Maar het onderzoeksteam van Yale, onder leiding van onderzoekers Jose Moreno-Villena en Haoran Zhou, voerde een ruimtelijke analyse uit van de genexpressie in de bladeren van postelein en ontdekte dat de activiteit van C4 en CAM volledig is geïntegreerd. Ze opereren in dezelfde cellen waarbij de CAM-reacties worden verwerkt door een C4-plant. Dit systeem zorgt zo voor een extreem goede bescherming tegen droogte.
Oplossing voor klimaatopwarming
De onderzoekers bouwden ook nog een metabolisch model om het ontstaan van het geïntegreerde C4+CAM-systeem te kunnen voorspellen, dat overeenkomt met hun experimentele resultaten. Begrip van de nieuwe metabolische route kan wetenschappers namelijk helpen om manieren te bedenken om gewassen zo te modificeren dat ze tegen langdurige droogte kunnen, zeggen de auteurs van de studie, die in Science Advances verscheen.
“Er is nog veel werk te verzetten voor we echt een CAM-cyclus in een C4-gewas, zoals mais, kunnen integreren”, zegt onderzoeker Edwards. “Maar wat we hebben aangetoond is dat de twee metabolische routes efficiënt geïntegreerd kunnen worden en producten kunnen delen. C4 en CAM zijn meer compatibel dan we dachten. Daarom denken we dat er veel meer C4+CAM-soorten zijn, die wachten om ontdekt te worden.”
In een periode waarin de berichten over extreme droogte, bosbranden en mislukte oogsten elkaar snel opvolgen, is het nieuws meer dan welkom dat er een plantje is dat de sleutel kan zijn tot de ontwikkeling van gewassen die hoge temperaturen en watertekorten beter kunnen weerstaan.
C4 en CAM
Sommige planten, zoals maïs en suikerriet, hebben alternatieve manieren ontwikkeld om koolstof op te nemen, zodat ze waterverlies in warme, droge omgevingen voorkomen. Deze C4-planten maken in tegenstelling tot C3-planten niet alleen gebruik van gewone fotosynthese, maar voeren een tussenstap uit waarbij ze een verbinding maken met vier koolstofatomen, vandaar C4. De C4-planten sluiten hun poriën (stomata of huidmondjes) om water vast te houden. Als gevolg kunnen ze de zuurstofconcentratie laaghouden en daardoor de CO2 binden aan het plantenenzym rubisco. Als de zuurstofconcentratie hoger is, verbindt rubisco zich aan O2 in plaats van aan CO2 wat de fotosynthese stopt en veel energie kost. Er gaat zo minder koolstof verloren waardoor meer suiker geproduceerd wordt.
Kaktussen en ananassen zijn voorbeelden van CAM-planten, wat verwijst naar Crassulacean Acid Metabolism. CAM-planten openen hun poriën alleen ‘s nachts om waterverlies te voorkomen tijdens de hete dag. De eerste stadia van de fotosynthese vinden overdag plaats, omdat daar licht voor nodig is. CO2 nemen de planten ‘s nachts op in de vorm van appelzuur. Zo scheiden CAM-planten het CO2-verbruik en de suikersynthese door gebruik te maken van verschillende tijdstippen op de dag en kunnen ze in droge gebieden beter overleven.
