Wageningen, The Netherlands
October 10, 2023
By 2050, there will be nearly 10 billion mouths to feed worldwide. That is two billion more than now. This explosive population growth, along with climate change and biodiversity loss, is putting food security under pressure. One potential solution could be to improve photosynthesis in crops. At the new, independent Jan IngenHousz Institute in Wageningen, plant scientists from a range of disciplines are therefore attempting to unpick the secret of photosynthesis efficiency.
“Without photosynthesis there is no life,” explains Professor Martin Kropff, chairman of the Jan IngenHousz Institute Supervisory Board and
former rector magnificus of Wageningen University & Research. “During
photosynthesis, plants convert CO2 and water into oxygen and sugars under the
influence of light. It is the basis of all the compounds plants are made up
of.” For years, plant scientists around the world have been trying to find out
how plants can make more efficient use of sunlight for growth. If they succeed,
this could vastly improve crop yields.
“Plants usually only use a small percentage of the solar energy they absorb,” says David Kramer, director of the Jan IngenHousz Institute, which officially opened for business on 1 October. “Different processes in the plant limit photosynthesis under different conditions, and each of these processes is controlled by different sets of genes. All these processes react second by second to fluctuations in light, temperature, humidity, wind, nutrients and other environmental factors. And these effects can all differ from one crop to the next.”
The real world as a laboratory
Researchers want to find out which process limits photosynthesis in different crops in real-world situations. According to Kramer, this is a huge challenge that is difficult to achieve with traditional scientific lab-based approaches. “Instead, we will need to use the real world as a laboratory. One of the first essential steps is to develop advanced photosynthesis sensors and data science tools. They can continuously record in great detail how photosynthesis responds to changes in conditions in many thousands of plants. We can then use this data to determine what processes are limiting factors under specific conditions.”
Along the way, the Jan IngenHousz Institute expects to discover fundamentally new science about photosynthesis and how it works in the real world. “We will be able to tell from that whether changes in specific genes are likely to improve performance. Then we will need to take both the knowledge and the sensors to large numbers of plant breeders and engineers all over the world to record useful changes in crops.”
Scientific platform
According to Kramer, the problem is too large to be solved by one laboratory. “We will have to enable a lot of other people working in different disciplines and with different crops to take part. So we are building an open scientific platform that is accessible to a community of hundreds of research groups all over the world.” The platform will enable this wide-ranging community to measure photosynthesis in many crops in new ways.
David Kramer and Martin Kropff are looking ahead to the future with confidence. If plants convert just a little more sunlight into sugars, this will have a huge impact on food production. Kropff: “We think it is achievable. This would be good news for the Global South.” Kramer adds: “The overarching aim is to enable breeders to breed plants that produce more food whilst being more resistant to climate change, without a disproportionate need for water or fertilisers.”
Accompanying the establishment of the new institute is a €62 million investment spread over the next 10 years. The Institute is named after Jan IngenHousz, an 18th-century Dutch physician and chemist. More than 30 PhD students and 60 postdocs will be working on the research programme in the years ahead. "We are delighted to have been able to attract someone with the stature of Prof David Kramer," says Martin Kropff. "He has extraordinary knowledge and experience in various fields of photosynthesis research." Kramer: “We already know a lot about how photosynthesis works, but improving its efficiency is largely uncharted territory. This is a wonderful opportunity for new scientific careers.”
Nieuw fotosynthese instituut in Wageningen
In 2050 zijn er wereldwijd bijna tien miljard monden te vullen. Dat zijn er twee miljard meer dan nu. Door die explosieve bevolkingsgroei, maar ook door klimaatverandering en verlies van biodiversiteit staat de voedselzekerheid onder druk. Een mogelijke oplossing ligt in het verbeteren van fotosynthese in gewassen. Binnen het nieuwe, onafhankelijke Jan IngenHousz Institute in Wageningen proberen plantenwetenschappers uit verschillende disciplines daarom het geheim van fotosynthese-efficiëntie te ontrafelen.
"Zonder fotosynthese is geen leven mogelijk", legt professor Martin Kropff uit. Hij is voorzitter van de Raad van Toezicht van het Jan IngenHousz Institute en voormalig rector magnificus van Wageningen University & Research. “Tijdens de fotosynthese zetten planten onder invloed van licht CO2 en water om in zuurstof en suikers. Het is de basis voor alle stoffen waaruit planten bestaan.” Al jaren proberen plantenwetenschappers over de hele wereld uit te vinden hoe planten zonlicht efficiënter kunnen gebruiken om te groeien. Als dat lukt dan zal de opbrengst van gewassen enorm verbeteren.
"Planten gebruiken meestal maar een paar procent van de zonne-energie die ze absorberen", zegt directeur David Kramer van het Jan IngenHousz Institute, dat op 1 oktober officieel van start is gegaan. “Verschillende processen in de plant beperken de fotosynthese onder verschillende omstandigheden en elk van deze processen wordt geregeld door verschillende sets genen. Al deze processen reageren van seconde tot seconde op fluctuaties in licht, temperatuur, vochtigheid, wind, voedingsstoffen en andere omgevingsfactoren. En dit kan allemaal verschillend zijn in andere gewassen."
De echte wereld als laboratorium
Onderzoekers willen erachter komen welk proces de fotosynthese beperkt onder praktijkomstandigheden in diverse gewassen. Dit is volgens Kramer een enorme uitdaging die moeilijk te realiseren is met traditionele wetenschappelijke benaderingen die in het laboratorium beginnen. “In plaats daarvan moeten we de echte wereld als laboratorium gebruiken. Een van de eerste essentiële stappen is het ontwikkelen van geavanceerde fotosynthesesensoren en data science tools. Die kunnen continu en gedetailleerd registreren hoe fotosynthese reageert op veranderingen in de omstandigheden in vele duizenden planten. Met deze gegevens kunnen we bepalen welke processen onder specifieke omstandigheden beperkend zijn.”
Onderweg verwacht het Jan IngenHousz Institute fundamenteel nieuwe wetenschap te vinden over fotosynthese en hoe het in de echte wereld werkt. “Daaruit kunnen we afleiden of veranderingen in specifieke genen de prestaties waarschijnlijk zullen verbeteren. Vervolgens moeten we zowel de kennis als de sensoren naar veel plantenveredelaars en ingenieurs over de hele wereld brengen om nuttige veranderingen in gewassen op te nemen."
Wetenschappelijk platform
Volgens Kramer is het probleem te groot om door één laboratorium te worden opgelost. "We moeten vele anderen, die in verschillende disciplines en gewassen werken, in staat stellen om deel te nemen. Daarom bouwen we een open wetenschappelijk platform dat toegankelijk is voor een gemeenschap van honderden onderzoeksgroepen over de hele wereld." Het platform zal deze brede gemeenschap in staat stellen om fotosynthese op nieuwe manieren te meten in vele gewassen.
David Kramer en Martin Kropff kijken positief naar de toekomst. Als planten maar een klein beetje meer zonlicht omzetten in suikers, zal dat enorme gevolgen hebben voor de voedselproductie. Kropff: "We denken dat het haalbaar is. Dat zou goed nieuws zijn voor de Global South." Kramer voegt toe: "Het grote doel is om veredelaars in staat te stellen planten te maken die meer voedsel produceren en tegelijkertijd beter bestand zijn tegen klimaatverandering, zonder onevenredig gebruik van water of kunstmest."
Met de oprichting van het nieuwe instituut is een investering gemoeid van 62 miljoen euro over een periode van 10 jaar. Het instituut ontleent zijn naam aan IngenHousz, een 18e-eeuwse Nederlandse arts en scheikundige. De komende jaren zullen meer dan 30 promovendi en 60 postdocs aan het onderzoeksprogramma werken. “We zijn blij dat we iemand met het statuur van prof. David Kramer hebben kunnen aantrekken”, zegt Martin Kropff. “Hij heeft buitengewone kennis en ervaring op verschillende gebieden van fotosyntheseonderzoek.” Kramer: “We weten al veel over hoe fotosynthese werkt, maar er is nog onontgonnen gebied rond het verbeteren van de efficiëntie. Een prachtige kans voor nieuwe wetenschappelijke carrières."
Topics
Species
