Wageningen, The Netherlands
November 28, 2024
Scientists have uncovered genetic variation in the unexplored DNA of the photosynthetic and energy factories of Arabidopsis plants, which plays a crucial role in the efficiency of photosynthesis in plants. These groundbreaking insights—published today in the prestigious journal Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)—pave the way for more productive, climate-resilient crops that could contribute to sustainable global food security.
In addition to chromosomes, plant cells contain organelles in their nuclei. These are small specialized compartments with specific functions, such as chloroplasts for photosynthesis (capturing solar energy and CO₂ to produce sugars) and mitochondria (releasing energy from sugars). Both chloroplasts and mitochondria each contain about 100–150 genes that code for proteins essential to their function.
Uncharted territory of organellar genetic variation
For plants to function properly, optimal coordination between chromosomal, chloroplastic, and mitochondrial genes is essential. However, until now, little was known about the significance of organellar genetic variation and how it influences plant performance.
Researchers from Wageningen University & Research (WUR) and Michigan State University are changing that. In a study published yesterday on the website of the prestigious scientific journal PNAS, they demonstrate that genetic variation in chloroplast and mitochondrial DNA plays a key role in the variation in photosynthesis among Arabidopsis thaliana (thale cress) plants.
“The role of variation in chloroplasts and mitochondria, particularly in energy production and photosynthesis, is something that could not be studied before—but now it can,” explains Mark Aarts, professor of Plant Genetics at WUR, who supervised the research.
Analysis of 240 'cybrid' Arabidopsis lines
For their research, the authors developed a new method for generating so-called cybrids on a large scale. In a cybrid, the original chloroplasts and mitochondria are all replaced by those from another plant.
Chlorophyll fluorescence recording of photosynthetic parameters of single cybrids
“By combining the chromosomes of one of four different Arabidopsis plants with the chloroplasts and mitochondria of one of 60 other Arabidopsis plants, we were able to create 240 unique cybrids,” says Aarts.
The plants used in the study originate from a wide range of locations across Europe, Asia, and Africa, Arabidopsis’ natural range.
This is the first time such a large set of cybrids has been produced. According to Aarts, this demonstrates that this approach could also be applied to agricultural crops, bringing a similar method within reach for plant breeding companies.
“In the past it was very complicated and time consuming to study the contribution of chloroplastic and mitochondrial variation to energy production and photosynthesis in plants—but now it is feasible.”
Towards more efficient photosynthesis and plant growth
The efficiency of plant photosynthesis in the field is quite low when compared to solar panels. Crops utilize on average only about 1% of the solar energy that reaches the plant. Earlier research has shown that this efficiency could, in principle, be 5 to 6 times higher. Unlocking that potential is the focus of ongoing research at the Jan IngenHousz Institute in Wageningen, where two of the paper’s authors are currently based.
In the past, efforts to improve photosynthesis focused primarily on utilizing genetic variation in chromosomes. According to Mark Aarts, this discovery expands the possibilities for plant scientists and breeders to explore and enhance energy production and photosynthesis. This can contribute to future crop varieties that better equipped to capture and utilize energy for optimal growth.
Aarts: “Enhancing the ability of crops to capture solar energy and produce reliable yields under varying environmental conditions is crucial for feeding a growing global population with climate-resilient, robust crops that are grown sustainably.”
Verborgen DNA van planten onthult geheimen rond fotosynthese
Wetenschappers hebben in het nog onontgonnen DNA van de fotosynthese- en energiefabriekjes van Arabidopsis planten genetische variatie ontdekt die cruciaal is voor de fotosynthese-efficiëntie van planten. Deze baanbrekende inzichten –vandaag gepubliceerd in het gezaghebbende tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) - openen de deur naar productievere, klimaatbestendige gewassen die kunnen bijdragen aan duurzame mondiale voedselzekerheid.
Naast chromosomen bevatten plantencellen in hun celkernen ook organellen. Dit zijn aparte compartimentjes die een specfieke functie hebben, zoals chloroplasten voor fotosynthese (vastleggen van zonne-energie en CO2 in suikers) en mitochondriën (vrijmaken van energie uit suikers). Zowel chloroplasten als mitochondriën bevatten elk circa 100-150 genen die coderen voor eiwitten met een essentiële functie in deze organellen.
Organellaire genetische variatie tot nu toe onontgonnen terrein
Voor het goed functioneren van planten is daarom een optimale coördinatie nodig van chromosomale, chloroplastische en mitochondriale genetische variatie. Tot nu toe wisten we echter heel weinig over het belang van een goede aansturing van deze organellaire genetische variatie en hoe dit het goed functioneren van planten bepaalt.
Onderzoekers van Wageningen University & Research (WUR) en Michigan State University brengen daar nu verandering in. In een gisteren gepubliceerd artikel op de website van het gezaghebbende wetenschappelijke tijdschrift PNAS laten ze zien dat genetische variatie in chloroplast en mitochondrieel DNA een belangrijke bijdrage levert aan de variatie in fotosynthese van Arabidopsis thaliana (Zandraket) planten. "Vooral de rol van variatie in chloroplasten en mitochondriën in energieproductie en fotosynthese is iets dat voorheen niet kon worden onderzocht, en nu wel", vertelt Mark Aarts, hoogleraar plantengenetica bij WUR, onder wiens begeleiding het onderzoek is uitgevoerd.
Analyse van 240 ‘cybride’ Arabidopsis-lijnen
Voor hun onderzoek ontwikkelden de auteurs een nieuwe methode voor het op grote schaal creëren van zogenaamde cybriden, ofwel planten waarin de oorspronkelijke chloroplasten en mitochondriën volledig zijn vervangen door die van een andere plant.
"Door de chromosomen van één van vier verschillende Arabidopsis planten te combineren met de chloroplasten en mitochondriën van één van 60 andere Arabidopsis planten, wisten we 240 unieke cybriden te creëren", zegt Aarts.
De gebruikte planten zijn afkomstig van een groot aantal verschillende locaties van Europa, Azië en Afrika, het natuurlijke verspreidingsgebied van Arabidopsis.
Het is voor het eerst dat zo’n grote set aan cybriden gemaakt is. Het laat zien dat een dergelijke aanpak in principe ook gevolgd zou kunnen worden voor landbouwgewassen, en een vergelijkbare methode is daarmee ook binnen bereik gekomen van plantenveredelingsbedrijven.
Efficiëntere fotosynthese en plantengroei
De efficiëntie van fotosynthese van planten in het veld lijkt niet erg hoog wanneer die vergeleken wordt met de efficiëntie van zonnepanelen. Van de zonne-energie die op planten valt, benutten gewassen gemiddeld maar ongeveer 1%. Eerder onderzoek heeft laten zien dat die efficiëntie in principe nog wel 5 tot 6 keer hoger zou kunnen zijn. Hoe dat voor elkaar te krijgen is het onderwerp van studie door het Jan IngenHousz Institute in Wageningen, waar twee van de auteurs van het artikel nu werkzaam zijn.
Waar in het verleden de voornaamste aandacht uitging naar het gebruik van de genetische variatie in chromosomen om fotosynthese te verbeteren, vergroot de ontdekking volgens Aarts nu de mogelijkheden voor plantenonderzoekers en veredelaars om de energieproductie en fotosynthese te onderzoeken en verhogen, zodat toekomstige rassen beter in staat zijn om energie vast te leggen en die te gebruiken voor optimale groei.
Aarts: “Het verhogen van het potentieel van gewassen om zonne-energie om te zetten en onder verschillende omgevingsomstandigheden voldoende opbrengst te produceren is cruciaal als we een groeiende wereldbevolking in de toekomst willen voorzien van klimaatbestendige, robuuste gewassen die op een duurzame manier worden geteeld.”
Topics
Species
