Wageningen, The Netherlands
February 17, 2016
Scientists from Wageningen University and Research Centre in the Netherlands (Wageningen UR) have developed the first ever method for accurately and simultaneously measuring the photosynthesis of nearly 1,500 plants over the course of several weeks. The method can help plant breeders more reliably select plants with an efficient photosynthesis. The scientists published the method – which uses a high-tech image analysis robot called the Phenovator, designed by Wageningen UR – in the scientific magazine Plant Methods. In addition to photosynthesis, the robot also measures the growth and movements of plants throughout the day and night. Besides plant breeding research, the equipment has major potential for fundamental scientific research into the improvement of photosynthesis in plants.
Until now, plant breeders could not select plants with increased photosynthesis in a reliable way. While it has been possible for some time to measure photosynthesis in plants, the existing techniques are too labour intensive and the measuring results overly dependent on the ambient conditions. The Wageningen scientists are the first to publish a technology that will allow a realistic perspective on the selection of plants with better photosynthesis.
The method enables the monitoring of 1,440 plants day and night, and involves the plants being photographed at various wave lengths of light, from deep red to blue, several times a day. The extent to which the chloroplasts, which are the cellular units that do the actual photosynthesis, respond to one specific wave length determines the effectiveness of the photosynthesis at that moment. The images captured at other wave lengths are used to measure the size and colour of all plants.
Phenovator
As all 1,400+ plants in the climate space are measured several times a day, the scientists can also determine the best moment to select plants with better photosynthesis. Moreover, the results are accurate and reliable, and reflecting the genetic potential of each plant, as the ambient conditions in the climate space can be carefully controlled.
New measuring in research photosynthesis
The measuring equipment also facilitates new fundamental research into issues such as the heredity of photosynthesis. Because so many plants are monitored, it is possible to specifically search for the genes that are relevant to photosynthesis. In addition, the Phenovator can be used to study the influence of other processes on photosynthesis, such as changes in light intensity, temperature or drought, and which genes are involved therein.
These issues make the equipment valuable to research focused on improving the photosynthesis process. There is considerable international interest in this type of research as it is expected that better photosynthesis can help produce more food on the same amount of land. This is essential with the global population growing and the amount of suitable agricultural land declining.
Phenovation
During the development of the Phenovator some of the cooperating scientists established the company Phenovation, a Wageningen UR spin-off that develops and builds equipment for measuring chlorophyll fluorescence, a major indicator for photosynthesis.
Wageningen UR publiceert methode voor selectie van planten met betere fotosynthese
Onderzoekers van Wageningen UR hebben een methode ontwikkeld waarmee voor het eerst nauwkeurig, gedurende de hele dag van bijna anderhalf duizend planten tegelijkertijd de fotosynthese gemeten kan worden. Deze methode kan plantenveredelaars helpen om op een betrouwbare manier planten te selecteren die een efficiëntere fotosynthese hebben. De onderzoekers publiceren de methode, die gebruik maakt van een door Wageningen UR ontworpen high-tech beeldanalyserobot, de Phenovator, vandaag in het wetenschappelijke tijdschrift Plant Methods. Naast fotosynthese kan deze robot ook dag en nacht de groei en beweging van de planten meten. Behalve voor het plantenveredelingsonderzoek is deze apparatuur is ook heel waardevol voor het fundamenteel wetenschappelijk onderzoek naar verbetering van fotosynthese in planten.
Plantenveredelaars konden tot op heden nooit betrouwbaar planten met een verhoogde fotosynthese selecteren. Het is al wel lang mogelijk om de fotosynthese van planten te meten, maar de bestaande technieken daarvoor zijn te arbeidsintensief en de meetresultaten zijn te veel afhankelijk van de omgevingsomstandigheden. De Wageningse onderzoekers publiceren nu als eersten een techniek waarmee het mogelijk is om planten te selecteren die een betere fotosynthese hebben. Met de techniek kunnen 1440 planten dag en nacht gevolgd worden. Een aantal maal per dag worden van alle plantjes steeds acht foto’s gemaakt bij verschillende golflengten van het licht: van dieprood tot blauw licht. De mate waarin de bladgroenkorrels op één bepaalde golflengte reageren is bepalend voor hoe effectief de fotosynthese op dat moment verloopt. De beelden die vastgelegd wordem met de andere golflengtes worden gebruikt om van alle plantjes de grootte en de kleur te meten.
Phenovator
Omdat alle anderhalf duizend planten in de klimaatruimte meerdere keren per dag doorgemeten worden, kunnen de onderzoekers ook bepalen wat het beste moment van de dag is om planten met een betere fotosynthese te selecteren. Doordat de milieuomstandigheden in de klimaatruimte heel goed gecontroleerd kunnen worden, zijn de uitkomsten nauwkeurig en betrouwbaar.
Nieuwe meettechniek onderzoek fotosynthese
De meetapparatuur maakt het ook mogelijk om nieuw fundamenteel onderzoek te doen naar de erfelijkheid van fotosynthese. Omdat er zo veel planten gevolgd worden, kan er bijvoorbeeld gericht gezocht worden naar de genen die van belang zijn voor de fotosynthese. Daarnaast kan met de Phenovator heel goed onderzocht worden wat de invloed van ándere processen is, zoals verandering in lichtsterkte, verandering in temperatuur of droogte, op de fotosynthese is, en welke genen daarbij betrokken zijn.
Deze zaken maken de apparatuur waardevol voor onderzoek dat gericht is op de verbetering van het fotosyntheseproces. Dat onderzoek staat internationaal sterk in de belangstelling omdat verwacht wordt dat een betere fotosynthese kan helpen om op de zelfde hoeveelheid land méér voedsel te produceren. Dat is noodzakelijk omdat de wereldbevolking groeit terwijl tegelijkertijd het areaal aan geschikte landbouwgronden juist afneemt.
Phenovation
Tijdens de ontwikkeling van de Phenovator richtten enkele van de samenwerkende onderzoekers het bedrijf Phenovation op, een spin-off van Wageningen UR die apparatuur ontwikkelt en bouwt voor de meting van chlorofylfluorescentie, een belangrijke graadmeter voor de fotosynthese.
Species
