A century of soybean breeding increased photosynthetic capacity but not NPQ relaxation

Planten zijn meesters in zonne-energie; ze vangen zonlicht op om de suikers op te bouwen die hun groei voeden en uiteindelijk de wereld voeden. Maar de zon schijnt niet met een constante, onveranderlijke intensiteit. Op een veld flikkert het licht voortdurend terwijl wolken voorbij drijven, bladeren wapperen in de wind en schaduwen over het bladerdak verschuiven. Wanneer een plant plotseling wordt getroffen door een uitbarsting van fel licht, absorbeert deze meer energie dan hij onmiddellijk kan gebruiken om voedsel te maken. Om te voorkomen dat de eigen machinerie beschadigt, moet de plant snel een veiligheidsklep openzetten, waarbij de overtollige energie als onschadelijke warmte wordt afgevoerd. Dit proces staat bekend als niet-fotochemische quenching. Zodra het licht terugvalt naar een lager niveau, moet de plant deze veiligheidsklep net zo snel weer uitzetten om de voedselproductie te hervatten. Als de klep te lang in de "aan"-stand blijft staan, verspilt de plant kostbare energie die gebruikt had kunnen worden voor groei. Decennialang hebben wetenschappers zich afgevraagd of de eeuwenlange veredeling die onze gewassen groter en productiever heeft gemaakt, ook dit delicate evenwicht van het aan- en uitzetten van de veiligheidsklep heeft verbeterd.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Illinois zette zich schouder aan schouder met deze vraag door te kijken naar soja, een gewas dat al meer dan een eeuw intensief is veredeld. Ze verzamelden een historische collectie van vierentwintig verschillende sojavariëteiten, variërend van lijnen die in 1923 werden uitgebracht tot die die pas rond 2021 werden geïntroduceerd. Het doel was om te zien of de moderne, hoogopbrengstvariëteiten beter zijn geëvolueerd in het omgaan met deze snelle veranderingen in licht dan hun oudere voorouders. De onderzoekers kweekten deze planten op een veld onder reële omstandigheden en maten hoe snel ze hun fotoprotectieve veiligheidsmechanismen konden ontspannen na een uitbarsting van intens licht. Ze volgden ook hoeveel koolstof de planten konden absorberen, hoeveel zaden ze produceerden en het gewicht van die zaden. Ze keken ook diep in de biologie van de plant door de niveaus van specifieke pigmenten en de activiteit van genen die deze beschermende reacties aansturen, te controleren.

De resultaten toonden een duidelijke splitsing tussen wat de veredeling heeft bereikt en wat zij heeft achtergelaten. De moderne sojavariëteiten waren inderdaad superieur in de kerntaak van fotosynthese. Ze beschikten over een hogere capaciteit om koolstofdioxide te absorberen en om te zetten in energie, en ze produceerden aanzienlijk meer zaden die zwaarder waren dan die van de oudere variëteiten. Dit bevestigt dat de eeuw van veredeling de motor van de plant succesvol heeft opgevoerd. De studie vond echter geen bewijs dat deze veredelingseffort de capaciteit van de plant om lichtfluctuaties te beheersen heeft verbeterd. De snelheid waarmee de moderne planten hun veiligheidskleppen konden uitzetten, was niet consistent sneller dan die van de oudere variëteiten. Sterker nog, de onderzoekers vonden geen duidelijk patroon dat het jaar waarin een variëteit werd uitgebracht koppelde aan de snelheid waarmee deze kon herstellen van fel licht. De veiligheidsmechanismen van de moderne gewassen waren net zo traag in het ontspannen als die van de gewassen van honderd jaar geleden.

Dit gebrek aan verbetering in het veiligheidssysteem creëert een mismatch. De moderne planten hebben een krachtigere motor voor het maken van voedsel, maar ze vertrouwen nog steeds op dezelfde oude, enigszien trage veiligheidsschakelaars om zichzelf te beschermen wanneer het licht verandert. Omdat de veiligheidsklep te lang nodig heeft om te sluiten na een uitbarsting van zonlicht, blijft de plant energie verspillen als warmte, zelfs wanneer hij voedsel zou kunnen maken. De onderzoekers observeerden dat de snelheid van dit herstel niet correleerde met het aantal zaden dat de planten produceerden of hoe zwaar zij waren. Hoewel de oudere variëteiten en de nieuwere verschilden in zadenproductie, verschilden zij niet in hoe goed zij deze snelle lichtveranderingen beheerden. De studie suggereert dat de genetische diversiteit voor dit kenmerk nog steeds aanwezig is in soja, maar dat er niet voor is geselecteerd tijdens het veredelingsproces.

Om te begrijpen waarom de planten zich zo gedroegen, onderzocht het team de moleculaire instrumenten binnen de bladeren. Ze maten de hoeveelheden specifieke pigmenten die helpen bij het afvoeren van warmte en controleerden de activiteit van de genen die de eiwitten produceren die dit proces aansturen. Ze ontdekten dat hoewel er verschillen waren in de niveaus van deze moleculen tussen snel ontspannende en traag ontspannende planten, deze verschillen de algehele snelheid van het herstel niet verklaarden. De variatie in de snelheid waarmee de planten hun verdediging lieten ontspannen, leek af te hangen van dynamische, realtime processen — hoe de interne chemie van het blad op het moment zelf reageerde — in plaats van alleen de statische hoeveelheid aan pigment of genactiviteit die aanwezig is. Dit betekent dat het simpelweg hebben van een bepaiment type eiwit of pigment niet garandeert dat de reactie sneller is.

De studie concludeert dat hoewel de veredeling van soja het potentieel voor groei succesvol heeft vergroot, het niet is bijgebleven bij de noodzaak voor beter lichtbeheer. De moderne gewassen zijn in staat om meer te produceren, maar ze benutten hun volledige potentieel op het veld niet omdat hun beschermende systemen niet snel genoeg zijn om overeen te komen met het veranderende licht. De onderzoekers suggereren dat de volgende stap voor het verbeteren van de gewasopbrengsten ligt in het vinden van manieren om dit herstelproces te versnellen. Door de snelheid van de veiligheidsklep af te stemmen op de hoge capaciteit van de moderne motor, zouden boeren potentieel nog grotere oogsten kunnen ontsluiten, waardoor de planten elke beetje zonlicht dat ze opvangen, optimaal kunnen benutten.