Boomplantweek en die Internasionale Jaar van Woude - Dendro.co.za

DENDRON » No/Nr: 43 » November 2011
58
review
review
IS BOME SWAK KOSMAKERS?
naam as Rubisco afgekort is (Figuur 2). Rubisco werk
heel gaaf om die reaksie te kataliseer mits die CO 2 -
konsentrasie hoog is. Drie miljard jaar gelede, toe die
atmosferiese CO 2 -konsentrasie hoog was, sou Rubisco
dus goed in primitiewe sianobakterieë gefunksioneer
het. Die Rubisco ensiem vaar egter nie so goed
onder huidige atmosferiese toestande van ’n lae CO 2 -
en hoë O 2 -konsentrasie nie want die O 2 -molekule
kompeteer nou met die CO 2 -molekule vir bindplek
aan die ensiemmolekule. Weens die kompetisie
tussen CO 2 - en O 2 -molekule bind daar dus minder
CO 2 -molekule per sekonde aan die Rubisco-ensiem.
Boonop veroorsaak die binding van die O 2 -molekule
aan Rubisco dat afwykende reaksies (fotorespirasie)
plaasvind wat fotosintese minder doeltreffend maak.
Kan bome se fotosintese deur mutasies
verbeter word?
Veronderstel dat daar ’n ‘gunstige’ mutasie in die
chloroplaste van ’n blaar sou plaasvind waardeur ’n
beter Rubisco ensiem sou ontstaan. So ’n gunstige
mutasie kan ongelukkig nie na ander volwasse
blaarselle of na ander blare versprei nie want
chloroplaste migreer nie tussen selle nie. As die
blaar met die gunstige mutasie dus verouder en
afval, sal die mutasie verlore gaan. Om verskeie
redes is die kanse maar klein dat ’n gunstige
mutasie in enkele chloroplaste van ’n plant na ’n
nageslag oorgedra kan word.
Wat die vrylewende sianobakterieë in die oseane
en mere betref, is die situasie anders. Mutasies kan
makliker plaasvind, en ’n sianobakteriesel met ’n
gunstige mutasie kan geredelik aanteel en in groot
hoeveelhede voorkom. Dit is skynbaar wat 0.4 miljard
(400 miljoen) jaar gelede gebeur het. Op daardie
stadium het die CO 2 -konsentrasie van die atmosfeer
beduidend begin daal en ‘moderne’ sianobakterieë
het toe ontstaan wat daarby kon aanpas. Die
aanpassing het behels dat mikrokompartemente
in die sianobakterieë ontstaan het en daarby het
membraan-‘pompe’ ontwikkel wat CO 2 aktief in die
mikrokompartemente inpomp. Sodoende word ’n
hoë CO 2 -konsentrasie in die mikrokompartemente
verkry en kon die Rubisco-ensiem van die ‘moderne’
vrylewende sianobakterieë effektief funksioneer.
Kan landplante dan nie ook koolsuurgas
konsentreer nie?
Ja inderdaad beskik sekere landplante beskik wel
oor meganismes om CO 2 te konsentreer maar hulle
maak nie van CO 2 -‘pompe’ en mikrokompartemente
gebruik nie. Hulle is egter in die minderheid en
verreweg die meeste soorte plante maak nog van die
‘primitiewe’ proses (C 3 -fotosintese) gebruik sonder
dat die CO 2 vooraf gekonsentreer word. Die gewone
fotosintese word C 3 -fotosintese genoem omdat die
eerste stabiele fotosinteseproduk wat ontstaan, se
molekule drie koolstofatome lank is.
Sekere ekonomies belangrike landplante (suikerriet,
mielies, sorghum) beskik oor ‘n fotosinteseproses
(C 4 -fotosintese) waardeur CO 2 gekonsentreer word
en die soort fotosintese is eers in die sestigerjare
van die vorige eeu ontdek. Die blare van C 4 -plante
is anatomies aangepas om die konsentrering van
CO 2 moontlik te maak. Eerstens word die CO 2
doeltreffend in gewone blaarselle gebind deur
’n karboksilase-ensiem en dus nie deur Rubisco
nie. Die appelsuur of ander C 4 -verbinding wat so
gevorm word, word na dikwandige skedeselle
wat om die blaar-are gerangskik is, vervoer. Daar
word die C 4 -verbinding ontbind en word die CO 2
weer vrygestel. Die CO 2 kan nie maklik uit hierdie
dikwandige selle ontsnap nie en kom dus in hoë
konsentrasies daarin voor, waar dit dan sonder die
belemmering van O 2 aan die Rubisco-ensiem kan
bind en die normale ‘primitiewe’ C 3 -fotosintese vind
dan in die chloroplaste van die skedeselle plaas.
Die enigste boomspesie wat tot dusver ontdek is
wat tot C 4 -fotosintese in staat is, is ’n Euphorbia.
Die derde soort fotosintese wat deur sekere
landplante uitgevoer word en waardeur CO 2 vooraf
gekonsentreer word, word CAM-fotosintese genoem,
kom in sekere vetplante voor en stel hulle in staat om
in dor gebiede te groei. Die plante se huidmondjies
is, in teenstelling met alle ander plante, bedags toe en
snags oop. Die CO 2 kom die plante dus snags binne,
word deur ’n karboksilase-ensiem in gewone selle
gebind en die suur wat so ontstaan, hoop gedurende
die nag in die selle op. Soggens, wanneer die son
opkom, gaan die huidmondjies toe en die suur ontbind
om CO 2 vry te stel. Die CO 2 kan nou nie ontsnap nie
en die toe huidmondjies verhoed ook dat die plante
bedags water verloor. Omdat die CO 2 -konsentrasie
binne die plant soggens hoog is wanneer die son skyn,
kan dit aan die Rubisco bind sonder belemmering van
O 2 en die ‘primitiewe’ C 3 - fotosintese vind plaas in die
chloroplaste van die blaarselle. Vetplante wat CAMfotosintese
gebruik, groei baie stadiger as ander
plante. Die epifitiese boom Clusia rosea is uitsonderlik
deurdat dit CAM-fotosintese bedryf.
Planne om die fotosinteseproses te manipuleer
Die jongste planne behels om die CO 2 -‘pompe’
(spesiale proteïene) van ‘moderne’ sianobakterieë
in die chloroplaste van plantselle in te bou. Twee
van die pompe word deur ’n enkele geen gekodeer
wat die plan dus heel uitvoerbaar behoort te maak
met die hulp van moderne geentegnologie. Met die
verhoogde CO 2 in die chloroplaste behoort Rubisco
beter te funksioneer en sal plantproduksie sdoende
opgestoot kan word.
’n Meer ambisieuse plan is om die gene vir
mikrokompartemente wat CO 2 kan konsentreer
(karboksisome) uit sianobakterieë te kry en
na plantselle oor te dra. Karboksisome bestaan
hoofsaaklik uit membrane wat sodanig uit proteïene
opgebou is dat CO 2 moeilik daaruit kan ontsnap.
Daarby bevat hulle pompe wat CO 2 aktief na binnedra.
Die kuns is dus om die hele stel van nege gene wat
vir karboksisome en meegaande ensieme kodeer,
susksesvol na plantselle oor te dra sodat dit met
die werking van die chloroplaste kan integreer. Die
navorser Martin Warren en sy span het al daarin
geslaag om kunsmatige mikrosome in die bakterie
Escherichia coli in te bou en hulle dink dis haalbaar om
’n kunsmatige karboksisoom saam te stel.
Nog meer ambisieus, en aansienlik moeiliker,
is die plan om die hele battery gene wat vir C 4 -
fotosintese benodig word, na gewone C 3 -plante oor
te dra. Baie gene is hierby betrokke: gene vir sowel
spesiale ensieme as vir anatomiese veranderings om
dikwandige skedeselle om die vaatbondels te verkry.
Navorsers het al daarin geslaag om die gene vir
enkele van die spesiale C 4 -ensieme na rysplante oor
te dra maar dit het nog geen toename in rysproduksie
tot gevolg gehad nie.
Die stikstof probleem
Plante benodig groot hoeveelhede stikstof vir die
fotosintese-masjinerie, en veral vir die sintese van
die relatief groot hoeveelhede Rubisco-ensiem wat
benodig word. Beperkte hoeveelhede stikstof in
die vorm van nitrate, ammonium en urea kom egter
in grond voor. Dit het aanleiding gegee tot nog
’n opwindende droom: om plante deur genetiese
manipulering so te verander dat hulle die stikstofgas
in die atmosfeer kan benut. Stikstof (N 2 ) is chemies ’n
baie onaktiewe gas maar wat in groot hoeveelhede
voorkom – amper 78% van die atmosfeer.
Omdat stikstof so inert is, is dit moeilik om dit na
ammonium of nitrate om te skakel. Wat so verstommend
is, is dat geen plante dit nog op hulle eie kon regkry
nie, behalwe in assosiasie met heel klein onsigbare
IS BOME SWAK KOSMAKERS?
review
review
mikroörganismes. Mikroskopies klein bakterieë
(Rhizobium, Azotobacter, en ander) doen wat geen
reuseboom nog op sy eie kon regkry nie.
Peulplante, soos doringbome, kan in simbiose met
Rhizobium-bakterieë wel stikstof bind. Die bakterieë
word in knoppies op die wortels van peulplante
aangehou maar die hele proses om die bakterieë
in die wortelknoppies te huisves en in assosiasie
met hulle stikstof te bind, is so ingewikkeld dat
wetenskaplikes liewers wil probeer om die masjinerie
vir N-binding uit die bakterieë te verkry en dit na die
chloroplaste van blaarselle oor te dra. Die voordeel
daarvan is dat chloroplaste alreeds verskeie van
die ensieme bevat wat vir N-binding nodig is, sodat
‘slegs’ agt gene i.p.v. 20 gene van bakterieë na
chloroplaste oorgedra hoef te word. Die nadeel is dat
die binnekant van chloroplaste suurstof bevat, maar
dat die hoofspeler in N-binding, naamlik die ensiem
nitrogenase, slegs in ’n suurstof-vrye omgewing
aktief is. Een oplossing vir die probleem sal wees om
die bakterie Azotobacter se truuk uit te haal, naamlik
om N-binding snags te doen wanneer fotosintese
nie plaasvind nie. ’n Ander moontlike oplossing
sou wees om die gene vir N-binding in wortels te
laat funksioneer waar fotosintetiese suurstof nie ’n
probleem behoort te wees nie.
Daar is wetenskaplikes by universiteite, institute en
by private firmas wat hard daaraan werk om al die
drome te realiseer. Die vordering op tegnologiese
gebied is so snel dat dit waarskynlik slegs enkele jare
sal wees voordat voedselproduksie op bogenoemde
innoverende wyses drasties verhoog sal word.
En ons geliefde bome – hoe lank voordat hulle in
wetenskaplikes se visier kom? Wel, eksperimentering
word gewoonlik eers met vinnig-groeiende plante soos
eenjariges en met krities-belangrike voedselgewasse
soos rys uitgevoer voordat vrugtebome aan die
beurt sal kom. Intussen bly die mensdom steeds
afhanklik van die ‘primitiewe’ en ‘ondoeltreffende’
fotosinteseproses waardeur bome en alle ander groen
plante op aarde groei en gedy en tot voordeel van die
mensdom produseer.
Verwysings:
1. Holmes, Bob. 2011. Billion-year upgrade. New Scientist,
Feb., pp 42-45.
2. Wikipedia: Chloroplast.
3. Wikipedia: Endosymbiotic theory.
59
DENDRON » No/Nr: 43 » November 2011