Verbetering fotosynthese stuwt kunstmestgebruik op

Fotosynthese is een proces dat uitsluitend plaatsvindt in planten. Licht wordt opgevangen en geabsorbeerd door het bladgroen in de bladeren. Daar wordt de zonne-energie omgezet in chemische energie en wordt glucose (suiker) gesynthetiseerd uit kooldioxide (CO2) en water (H2O). De fotosynthese is dus een belangrijk proces om CO2 uit de atmosfeer te verwijderen. Dat is met de toenemende CO2-concentratie in die atmosfeer van groot belang.

Er schuilt echter één addertje onder het gras: het enzym dat CO2 uit de atmosfeer haalt, pakt één op de vijf keer een zuurstofmolecuul (O2) in plaats van een CO2-molecuul. Dit enzym, RuBisCo, is het meest voorkomende eiwit op aarde. Het gevolg van deze ‘fout’ is dat er geen glucose ontstaat als eindproduct, maar een aantal andere bijproducten. De plantencel verwerkt deze bijproducten via een alternatieve route. Dit proces heet de fotorespiratie en vergt extra energie van de plantencel, waardoor deze minder snel kan groeien.

Paul F. South en zijn vakgroep van de universiteit van Illinois gebruikten de tabaksplant, een veel gebruikte modelplant, om aan te tonen dat er een efficiëntere manier is om deze bijproducten te hergebruiken. Zij deden dit door drie alternatieve routes te kopiëren uit het genoom van de bacterie ”Escherichia coli” en een groene alg. Tevens schakelden ze de natuurlijke fotorespiratie uit. Hierdoor nam de productie van biomassa van de plant met 40 procent toe. De verwachting is dat deze aanpassing ook toegepast kan worden bij andere belangrijke voedingsgewassen, zoals rijst en graan. Het onderzoek is onder meer gefinancierd door de Bill en Melinda Gates Foundation en de resultaten zullen in de toekomst aan boeren ter beschikking gesteld worden.

Stabiel enzym

We zijn nu ruim twee weken verder. Hoe is deze revolutie in Nederland ontvangen?

Kranten als de Volkskrant namen het artikel over en dikten het nog wat aan. Volgens wetenschapsjournalist Maarten Keulemans van de Volkskrant hebben planten last van een „weeffout”, die biologen wel hebben aangeduid als een van de „grootste vergissingen” van de evolutie. Ze beweren dat RuBisCo naast suikers ook „gifstoffen” maakt, die de plant vervolgens weer moet wegwerken. Dat kost energie, die de plant niet meer in groei kan steken. Leo Marcelis, hoogleraar tuinbouw en gewasfysiologie aan de Universiteit Wageningen, mag de ‘genadeklap’ uitdelen: in kassen wordt de CO2-concentratie al verhoogd om de „krakkemikkige” fotosynthese van planten te ondersteunen.

Het populairwetenschappelijke blad Kijk zegt het als volgt: „Vermoedelijk doordat het enzym in al die miljoenen jaren sinds het ontstaan vrijwel onveranderd is gebleven, pakt het zo’n één op de vijf keer (meestal vaker) per ongeluk O2 in plaats van CO2. Deze reactie levert een giftig, onbruikbaar bijproduct op, zogenaamde fosfoglycolaat, dat actief opgeruimd moet worden.”

Uit deze berichten zou je de conclusie kunnen trekken dat de evolutie inderdaad slecht werk afgeleverd heeft. Of, als je in een schepping gelooft, dat de ontwerper van RuBisCo een prutser is. God zou het heel anders hebben ontworpen, namelijk optimaal, zonder giftige bijproducten.

Niets is minder waar. Als we naar de biologische feiten kijken, blijkt RuBisCo een heel stabiel enzym te zijn. Het komt vrijwel onveranderd voor in alle fotosynthetiserende planten. Er zijn dus geen evolutionaire trends waarneembaar. Evolutionisten zeggen dat RuBisCo evolutionair gezien enorm geconserveerd is, maar dat is een innerlijke tegenstrijdigheid. Evolutie is immers ontwikkeling, terwijl conservatie het tegendeel is. Het zou betekenen dat elke mutatie die in het gen optreedt meteen wordt weggeselecteerd. Hoe kunnen zulke genen ontstaan? Ze kunnen niet ontstaan, omdat er geen variatie mogelijk is in het gen. RuBisCo is er en verandert niet.

Stikstofhuishouding

Bij fotorespiratie, het mechanisme dat de zogenaamde gifstoffen opruimt, wordt fosfoglycolaat meteen omgezet in glycolaat. Dat wordt vervolgens door een enzym verwerkt en omgezet tot glyoxylaat. Hieruit worden de aminozuren glycine en serine gemaakt, waarbij NH4+ (ammonium, een stikstofhoudend molecuul) vrijkomt. Dit alles vindt plaats in een daarvoor speciaal geschikt organel van de plantencel, het peroxisoom.

Dit hele proces is erop gericht om drie van de vier C-atomen van glycolaat te recyclen. Daarbij gaat er echter wel eentje verloren als CO2 en komt er ammonium vrij. Dat wordt dan verder gebruikt voor de aanmaak van de aminozuren glutamaat en glutamine.

Het proces van de fotorespiratie speelt dus een belangrijke rol in de stikstofhuishouding van planten. De wetenschappelijke literatuur bevat duidelijke aanwijzingen dat de jonge uitlopers van planten afhankelijk zijn van de stikstof die ontstaat tijdens de fotorespiratie. Shimon Rachmilevitch, Asaph B. Cousins en Arnold J. Bloom (2004) toonden aan dat cultuurplanten, waaronder tarwe, niet sneller groeien onder stijgende CO2-concentraties als de fotorespiratie wordt geremd. En ze waarschuwden voor de mogelijke gevolgen van het kunstmatig uitschakelen van de fotorespiratie in cultuurgewassen. Ze vreesden dat dit tot stikstoftekort in de plant kan leiden. De genetisch gemanipuleerde tabaksplanten hebben precies dat: hun natuurlijke fotorespiratie is zo goed als uitgeschakeld, waardoor ze zelf geen stikstof meer kunnen assimileren en afhankelijk worden van kunstmest.

Met zulke genetisch gemanipuleerde gewassen is een verhoogde inzet van kunstmest (lees: het toevoegen van stikstof) dus onontkoombaar. Zo komen we van de regen in de drup. Het is een dure en milieuonvriendelijke oplossing. Om een wereldbevolking van 10 miljard mensen te kunnen voeden, zijn betere oplossingen denkbaar.

Overigens is er onder wetenschappers brede consensus dat het enzym RuBisCo optimaal functioneert onder CO2-concentraties die veel hoger liggen dan in de huidige atmosfeer. Een belangwekkend gegeven in het licht van het huidige klimaatdebat. Het is ook een aanwijzing voor de stelling van wetenschappers die in een schepping geloven dat planten oorspronkelijk geschapen zijn voor een aarde met een atmosfeer waarin de CO2-concentratie hoger was dan nu.

Bronnen:

- ”Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate crop growth and productivity in the field”, Paul F. South, Amanda P. Cavanagh, Helen W. Liu, Donald R. Ort; Science, 4 januari 2019: Vol. 363, Issue 6422, eaat9077 DOI: 10.1126/science.aat9077; http://science.sciencemag.org/content/363/6422/eaat9077/tab-pdf

- ”Nitrate assimilation in plant shoots depends on photorespiration”; Shimon Rachmilevitch, Asaph B. Cousins, and Arnold J. Bloom; PNAS 2 augustus 2004, 101 (31) 11506-11510; https://doi.org/10.1073/pnas.0404388101; https://www.pnas.org/content/101/31/11506

Drs. Tom Zoutewelle is geoloog en bioloog, dr. Peter Borger is moleculair biologisch onderzoeker.

Verbetering fotosynthese stuwt kunstmestgebruik op

Opinie

RD.nl in uw mailbox?