Fotosynthetische activiteit: de vitaliteitsmeter van planten
Elke plant, van een tomatenplant op je vensterbank tot een compleet regenwoud, doet continu hetzelfde kunststukje: met behulp van zonlicht zet hij water en kooldioxide om in suikers en zuurstof. Dat proces heet fotosynthese, en de mate waarin het op een bepaald moment plaatsvindt, noemen we de fotosynthetische activiteit. Het is te vergelijken met de hartslag van een sporter: die zegt niet alles over iemands conditie, maar geeft wel direct aan hoe hard het lichaam op dat moment aan het werk is. Zo geeft fotosynthetische activiteit een realtime signaal van hoe actief een plant licht omzet in energie.
Waarom zou je dat willen meten? Omdat het je iets vertelt zonder dat je de plant hoeft aan te raken of te beschadigen. Een gewas dat water tekortkomt, ziek is of te veel zonlicht krijgt, laat dat vaak eerder zien in zijn fotosynthetische activiteit dan in zichtbare verkleuring van de bladeren. Op grotere schaal geldt hetzelfde voor bossen en akkers: door vanuit de lucht of vanuit de ruimte te meten hoeveel fotosynthese er plaatsvindt, krijgen wetenschappers een beeld van hoeveel CO2 de aarde op dat moment uit de atmosfeer haalt. Dat maakt het een onderwerp dat zowel boeren als klimaatwetenschappers direct aangaat.
Wat is het precies?
Fotosynthese draait om chlorofyl, het groene pigment in bladeren dat zonlicht opvangt. Van alle lichtenergie die chlorofyl absorbeert, gaat het grootste deel naar de fotosynthese zelf. Een klein deel wordt echter opnieuw uitgezonden als licht, een verschijnsel dat chlorofylfluorescentie heet. Hoe meer een plant onder stress staat, hoe minder efficiënt de fotosynthese verloopt en hoe anders dat fluorescentiesignaal eruitziet. Door dat signaal te meten, kun je dus indirect aflezen hoe goed een plant functioneert.
Op laboratorium- en veldschaal gebeurt dit met zogeheten PAM-fluorometrie (Pulse Amplitude Modulation). Een apparaatje stuurt korte lichtpulsen naar een blad en meet vervolgens hoeveel licht wordt teruggekaatst als fluorescentie. Uit die metingen valt onder meer af te leiden hoe goed het beschermingsmechanisme van de plant werkt: bij te veel licht 'dumpt' een plant overtollige energie als warmte, een proces dat non-photochemical quenching (NPQ) heet. Werkt dat mechanisme traag, dan verspilt de plant kostbare groeitijd.
Op grotere schaal, vanuit vliegtuigen of satellieten, wordt gebruikgemaakt van solar-induced fluorescence (SIF, door zonlicht opgewekte fluorescentie). Hierbij wordt niet met kunstlicht gewerkt, maar met het natuurlijke fluorescentiesignaal dat vegetatie uitzendt onder gewoon zonlicht. Dat signaal is zwak en moet uit een enorme hoeveelheid weerkaatst zonlicht worden gefilterd, wat hoge eisen stelt aan de precisie van de instrumenten. Dit onderscheidt SIF van de bekendere vegetatie-index NDVI, die vooral meet hoe 'groen' een gebied is op basis van reflectie, maar niet direct hoeveel fotosynthese er op dat moment plaatsvindt.
Wat wil men ermee bereiken?
In de landbouw is het doel vooral vroege detectie: stress door droogte, ziekte of nutriëntentekort zichtbaar maken voordat een gewas zienderogen achteruitgaat, zodat een boer nog op tijd kan bijsturen. In de plantenveredeling gebruiken onderzoekers dezelfde metingen om uit duizenden gewasvarianten die exemplaren te selecteren die het meest efficiënt met licht omgaan, met als einddoel hogere opbrengsten zonder extra land of water nodig te hebben.
In de klimaatwetenschap ligt de nadruk op iets anders: het beter in kaart brengen van de mondiale koolstofkringloop. Bossen en gewassen nemen samen een aanzienlijk deel van de door mensen uitgestoten CO2 op, maar hoeveel dat precies is, verschilt sterk per seizoen, regio en jaar. Metingen van fotosynthetische activiteit vanuit de ruimte helpen klimaatmodellen te verfijnen en te begrijpen hoe kwetsbaar die opnamecapaciteit is voor droogte en opwarming.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal concrete projecten laat zien hoe dit onderzoeksveld zich in de praktijk ontwikkelt.
- ESA-missie FLEX (Fluorescence Explorer): een Europese aardobservatiesatelliet die specifiek is ontworpen om solar-induced fluorescence wereldwijd in kaart te brengen. De missie werd in 2015 geselecteerd binnen het Earth Explorer-programma van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA en is bedoeld om samen met de bestaande Sentinel-3-satelliet te vliegen. De lancering is meerdere keren uitgesteld; op het moment van schrijven wordt gemikt op een lancering rond 2025, maar een exacte, definitieve datum ligt niet vast.
- NASA's OCO-2-satelliet (gelanceerd in 2014, primair bedoeld om CO2-concentraties te meten) bleek onbedoeld ook geschikt om SIF te detecteren. Een veelgeciteerde studie liet zien dat de fotosynthetische activiteit boven de Amerikaanse 'corn belt' in de zomer opvallend hoog uitpakte, hoger dan boven het Amazoneregenwoud in diezelfde periode, een resultaat dat destijds voor verrassing zorgde omdat het regenwoud doorgaans als de grootste 'groene long' van de aarde wordt gezien.
- TROPOMI, het Nederlandse meetinstrument aan boord van de Europese satelliet Sentinel-5P (gelanceerd in 2017), is oorspronkelijk ontwikkeld voor luchtkwaliteitsmetingen, met een grote bijdrage van KNMI, SRON en de Nederlandse ruimtevaartindustrie. Onderzoekers gebruiken de data inmiddels ook om wereldwijde SIF-kaarten af te leiden, als nevenproduct van een instrument dat niet primair voor dit doel is gebouwd.
- Het RIPE-project (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency), geleid door de University of Illinois Urbana-Champaign en gefinancierd door onder meer de Bill & Melinda Gates Foundation, onderzoekt hoe gewassen sneller kunnen herstellen van fotobescherming. In veldproeven met genetisch aangepaste sojaplanten met een versnelde NPQ-relaxatie rapporteerden onderzoekers een merkbare opbrengstverhoging ten opzichte van onbewerkte planten. Zulke veldresultaten zijn veelbelovend, maar de exacte percentages verschillen per publicatie, gewas en groeiseizoen, en moeten nog over meerdere gewassen en regio's worden bevestigd.
- Netherlands Plant Eco-phenotyping Centre (NPEC), een gezamenlijke onderzoeksfaciliteit van Wageningen University & Research en de Universiteit Utrecht, gebruikt onder meer camerasystemen voor chlorofylfluorescentie om grote aantallen planten automatisch te screenen op fotosynthese-efficiëntie, als onderdeel van moderne, versnelde plantenveredeling.
Hoe ver is de techniek?
Metingen op laboratorium- en veldschaal met PAM-fluorometrie zijn een volwassen, decennialang beproefde techniek: al sinds de jaren tachtig gebruikt, inmiddels een standaardinstrument in plantenfysiologisch onderzoek en steeds vaker ook in commerciële kwekerijen en fenotyperingscentra.
Satellietmetingen van SIF zijn een jongere, snel groeiende tak van onderzoek. De eerste bruikbare signalen kwamen begin jaren 2010 grotendeels toevallig uit instrumenten die daar niet voor waren gebouwd. Missies die specifiek voor dit doel zijn ontworpen, zoals FLEX, moeten nog operationeel worden. De belangrijkste obstakels zijn de zwakte van het signaal ten opzichte van ruis, de beperkte ruimtelijke resolutie (satellietpixels beslaan vaak vele vierkante kilometers, terwijl stress op perceelniveau al relevant kan zijn) en de vertaalslag van een fysisch signaal naar een bruikbaar advies voor een individuele boer.
Genetische aanpassingen om fotosynthese-efficiëntie te verhogen, zoals in het RIPE-project, bevinden zich nog in een experimentele fase. Veldproeven zijn bemoedigend, maar grootschalige toepassing hangt mede af van regelgeving rond genetisch gemodificeerde gewassen, die per land sterk verschilt, en van langjarige tests onder uiteenlopende klimaatomstandigheden.
Wie werken eraan?
Op het gebied van aardobservatie zijn de Europese ruimtevaartorganisatie ESA en het Amerikaanse NASA de belangrijkste spelers, met instrumenten en missies zoals FLEX, OCO-2/OCO-3 en Sentinel-5P/TROPOMI. Bij dat laatste instrument zijn Nederlandse instituten als KNMI en SRON nauw betrokken.
Op het gebied van plantenwetenschap en fenotypering lopen Wageningen University & Research en de Universiteit Utrecht (via het NPEC) internationaal mee, naast onderzoeksgroepen zoals die van de University of Illinois Urbana-Champaign (RIPE-project) en het Duitse Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology. Voor de benodigde apparatuur zijn gespecialiseerde bedrijven actief: het Duitse Heinz Walz GmbH, dat de PAM-fluorometrie mede heeft gecommercialiseerd, het Nederlandse PhenoVation uit Wageningen, het Tsjechische Photon Systems Instruments (PSI), het Duitse LemnaTec en het Amerikaanse LI-COR Biosciences, elk gespecialiseerd in camera's, sensoren of complete fenotyperingssystemen voor onderzoek en landbouw.