Hoe doen wetenschappers planten beter groeien?

Hoe planten groeien vormt al eeuwenlang het onderwerp van wetenschappelijk onderzoek. De zoektocht naar wat we vandaag kennen als fotosynthese, begon al in de 17de eeuw. De eerste inzichten in de genetica dateren van de 19de eeuw. Desondanks zijn nog veel vraagstukken onopgelost. Ook wat teelttechniek, gewasbescherming, bemesting enzovoort betreft, zijn nog niet alle mysteries ontrafeld. 

Genoom gekraakt!

Soms lees je in de krant dat het genoom van een plant is gekraakt. Dat wil zeggen dat wetenschappers erin geslaagd zijn de volledige genetische samenstelling (DNA) van die plant, tot in het kleinste detail, in kaart te brengen. Ze doen dat omdat die genetische map heel wat basisinformatie over de plant bevat, informatie die nuttig is voor veredelaars. Het is echter niet omdat je een map in je handen hebt, dat je hem ook kan lezen. In een volgende fase moeten wetenschappers nog de functie van de verschillende genen bepalen en het complexe samenspel van genen, eiwitten en biologische processen begrijpen. Pas dan hebben ze de plant écht gekraakt.

Nieuwe rassen ontwikkelen

De studie van de biologie van planten is een zaak van krachtige computers, complexe rekenmodellen en hoogopgeleide wetenschappers. Het lijkt (mijlen!)ver af te staan van de praktijk, maar is wel fundamenteel voor de ontwikkeling van een duurzame landbouw. Via veredeling en biotechnologie worden vervolgens immers planten ontwikkeld die voldoen aan de huidige en toekomstige noden.

1. Klassieke veredeling

Al zolang de mens aan landbouw doet, doet hij aan selectie. Eerst gebeurde dat door de grootste en gezondste planten op het veld te kiezen voor zaadwinning, daarna door ze effectief te gaan kruisen. Het doel daarbij was en is nog altijd nieuwe variëteiten ontwikkelen met verbeterde kenmerken en een hogere opbrengst. Doordat planten succesvol kruisen een complex proces is, duurde het tot midden vorige eeuw voor de technologie – in combinatie met de opkomst van kunstmest, gewasbescherming en irrigatietechnieken – voor een echte revolutie zorgde in de landbouw (ook wel 'groene revolutie' genoemd, midden jaren '70). De opbrengst van tarwe en rijst bijvoorbeeld verdubbelde in slechts twee decennia.

Grondlegger: Gregor Johann Mendel

De Oostenrijker Gregor Johann Mendel (°1822) wordt vaak de vader van de genetica genoemd. In de tuin van het klooster waar hij woonde deed hij kweekproeven met erwt. Bij het kruisen vielen hem wetmatigheden op, die we vandaag kennen als de Wetten van Mendel. In de 20ste eeuw vormden zij de theoretische basis van de klassieke veredeling.

2. Biotechnologie

Klassieke veredeling is een proces van lange adem. Het duurt zo’n 8 jaar om tot het gewenste resultaat te komen. Biotechnologie is efficiënter, doordat in één stap het gewenste kenmerk in een plant kan worden ingebracht. Biotechnologen grijpen daarvoor rechtstreeks in het DNA van de plant in. Er zijn verschillende technieken om dit te doen, maar de bekendste is genetische modificatie (ggo). Erg omstreden in Europa, maar op wereldschaal massaal toegepast. Denk aan katoen, maïs, soja en koolzaad, maar ook aan rijst en suikerriet. Een groot deel daarvan wordt genetisch gewijzigd om resistent te zijn tegen onkruidverdelgers of weerbaar tegen ongewenste insecten. Of je nu voor bent of tegen, feit is dat de ontwikkeling van de ggo-technologie voor de wetenschap een grote doorbraak betekende, die heel wat nieuwe mogelijkheden heeft gecreëerd.

Grondleggers: Marc Van Montagu en Jozef Schell

De Belgen Marc Van Montagu (°1933) en Jozef Schell (°1935) zijn pioniers in de ggo-technologie. In de jaren 1970 ontdekten zij in hun lab in Gent hoe genentransfer werkt. Enkele jaren later (1982) presenteerden zij de allereerste ggo-plant aan de wereld, een antibioticumresistente tabaksplant.

3. Nieuwe generatie veredeling

De ggo-techniek heeft de deur geopend voor een hele reeks nieuwe, nog efficiëntere veredelingstechnieken. Veel wordt verwacht van genome editing zoals CRISPR/Cas (spreek uit: krisper kas). Daarbij wordt de functie van een gen beïnvloed door op een specifieke plaats in het DNA te knippen en de breuk te laten herstellen met een of meerdere (gewenste) fouten erin. Hierdoor kunnen eigenschappen in een plant gewist of net ingeschakeld worden, en dat op een heel precieze, snelle en goedkope manier. Eén ding is duidelijk: het geloof in de biotechnologie is niet samen met de reputatie van ggo’s ten onder gegaan.

Slimme planten

Door al die jaren van selectie en veredeling lijken de voedselgewassen die we vandaag eten in niets meer op de oergewassen waar het honderden jaren geleden mee begon. Er zit zo veel wetenschap en technologie achter, dat je gerust mag spreken over slimme planten. Of dacht je dat een aardappel een banaal product was? 

Tip: meer info over biotechnologie en veredeling vind je op de website van het Vlaams Instituut voor Biotechnologie: www.vib.be > educatief.

Teelttechniek bijschaven

Nieuwe rassen alleen kunnen de landbouw niet verduurzamen. De manier waarop ze geteeld worden, is even belangrijk. En ondanks het feit dat al eeuwen aan landbouw wordt gedaan, is ook op dat vlak nog verbetering mogelijk. Hoe? Door nieuwe wetenschappelijke inzichten te vertalen in nieuwe technieken en dit te combineren met een portie gezond boerenverstand.

1. Ziektes en plagen bestuderen

Een van de grootste bedreigingen voor de oogst blijven ziektes en plagen. In het verleden lag de focus op bestrijding met chemische gewasbescherming – de gevolgen daarvan op het milieu en de gezondheid waren nog niet zo duidelijk. Maar vandaag ligt de focus op snelle detectie en beheersing. Via meldings- en waarschuwingssystemen worden landbouwers op de hoogte gebracht van acute bedreigingen door insecten, schimmels, aaltjes, bacteriën of virussen. Verder wordt onderzocht hoe ziektes en plagen zich verspreiden en wat hun natuurlijke vijanden zijn, dit om ze beter te kunnen beheersen.

2. Minder en andere gewasbescherming

Behalve op snelle detectie en beheersing, ligt de focus bij gewasbescherming op preventie: door planten weerbaarder te maken, moet minder aan gewasbescherming worden gedaan. Weerbaarheid kan een gevolg zijn van veredeling of biotechnologie, maar ook van betere bodemcondities. Als een plant desondanks ziek wordt, moet hij behandeld worden. En dat op een manier die zo weinig mogelijk schade toebrengt aan mens, milieu en dier. Dat kan op drie manieren, en op alle drie die pistes wordt sterk ingezet:

1. door een zieke plant zo precies mogelijk te behandelen;
    
2. door de formule van de huidige generatie bestrijdingsmiddelen op punt te stellen; 
    
3. en door te zoeken naar alternatieven zoals biociden en natuurlijke plaagbestrijding.

In onderstaande video van ILVO zie je hoe precies, plaatsspecifiek spuiten er in de praktijk uitziet.

3. Minder en anders bemesten

Eenzelfde verhaal geldt voor bemesting. Vroeger werd niet op een mestvaatje meer of minder gekeken – wat onze dieren produceerden reden we uit op de velden. Dit heeft geleid tot enorme opbrengststijgingen, maar ook tot uitputting van de bodem en een slechte waterkwaliteit. Vandaag ligt de focus daarom op zuinig en variabel bemesten, afgestemd op de noden van de bodem en/of de plant. Ook worden oude technieken zoals compostering vanonder het stof gehaald, en wordt steeds verder gezocht naar manieren om mest te verwerken.

4. Precies en slim werken

Precisielandbouw en smart farming zijn al lang geen hype meer. Anno 2018 zijn ze richtinggevend voor de toekomst van de landbouw. Machines en zelfs planten worden uitgerust met sensoren om zo veel mogelijk data over opbrengst, plaagdruk, temperatuur, luchtvochtigheid, enzovoort te verzamelen. Drones met camera’s brengen zeer gedetailleerd percelen in beeld en leggen zowel historische als acute bodem- of andere problemen bloot. Ingewikkelde algoritmes vertalen dit alles naar een plaats- of zelfs plantspecifieke aanpak: ‘plantje 51 op rij 18 heeft zoveel meststof nodig’, ‘de zaaiafstand in rij 11 en 12 moet zoveel zijn’,...

Slimme zaai-, plant-, bemestings- en spuitmachines voeren deze opdrachten vervolgens minutieus uit. Dit alles met het doel zo zuinig mogelijk te werken, de teelt te optimaliseren en zo weinig mogelijk druk te creëren op het milieu.

Grondlegger: Spinnekop

De Belgische Spinnekop heeft een belangrijke rol gespeeld in de introductie van de tractor na de Tweede Wereldoorlog. Hij staat model voor de eerste generatie naoorlogse tractoren, gekenmerkt door een beperkt vermogen en een betaalbare prijs.

5. Maar ook: gezond boerenverstand

Al die hightech snufjes zijn fijn om mee te werken, maar duur. En door de combinatie met beslissingsondersteunende applicaties, zou je bijna denken dat boeren binnenkort geen vak meer is voor landbouwers, maar voor kapitaalkrachtige beleggers en IT-nerds. ‘De vakkennis komt toch uit een app.’

Zo’n vaart zal het allicht niet lopen. In wetenschappelijke kringen wordt immers steeds meer belang gehecht aan tacit knowledge: kennis die landbouwers met de paplepel meegekregen hebben, waardoor ze zich er niet altijd bewust van zijn. Die kennis is moeilijk te integreren in een app.

Daarenboven is er een stroming boeren die de hightech race bewust aan zich laat voorbijgaan. Doordat ze niet investeren in dure machines en softwarepakketten, kunnen zij hun bedrijf kleinschaliger houden. En ook daar is een markt voor.

Innovatieve kweeksystemen

Planten worden niet alleen op het veld maar evenzeer in serres en zelfs in containers of op daken geteeld. Ook daar wordt veel onderzoek naar verricht. Bijvoorbeeld: Hoe kunnen serres energie- en ruimtezuinig worden ingericht? Hoe wordt de groei van planten beïnvloed door gekleurde leds en het gehalte CO2/zuurstof in de lucht? Kan restwarmte en CO2 uit de industrie gerecupereerd worden voor de verwarming van serres? Enzovoort.

Dit type onderzoek is niet alleen relevant voor de professionele tuinbouw, maar ook voor de stadslandbouw. De uitdaging die wetenschappers drijft, is immers voedsel te produceren eender waar: in de woestijn, op de noordpool, in de ruimte, in kelders, enzovoort. Dit leverde al heel wat interessante ideeën op, denk maar aan een opvouwbare boerderij-kit voor plaatsen met weinig faciliteiten en een volledig geautomatiseerde zeecontainer-boerderij voor de stad.

Beeld: Farm from a box

Nieuwe teelten en -combinaties testen

Behalve naar nieuwe rassen en variëteiten, zoeken wetenschappers naar nieuwe teelten en de mogelijkheden ervan voor de landbouw in onze regio. Denk aan quinoa: tot enkele jaren geleden werd het nog uitsluitend ingevoerd uit Zuid-Amerika, nu wordt het al in eigen land geteeld. Zoete aardappel en soja zijn twee andere bekende voorbeelden. Minder bekend zijn goudsbloem (industriegewas), miscanthus (energiegewas), kiwibes en yacon. Ook het potentieel van innovatieve teeltcombinaties wordt onderzocht:

• agroforestry of boslandbouw (bomen + planten/dieren);
• onderzaai (bv. maïs + gras); 
• mengteelten (bv. graan + erwten);
• agro-ecologie;
• aquaponics (vissen + planten);
• ...

Het doel van die combinaties is zuinig omspringen met ruimte en de biodiversiteit op het platteland bevorderen. 

Beeld: Wervel

Lees meer over landbouw en wetenschap

Dit is een hoofdstuk uit ons boekje Landbouw en wetenschap: een vruchtbare kruisbestuiving. Lees ook de andere hoofdstukken of het volledige boekje:

• Focus op dieren: milieu- en klimaatdruk verlagen
   
• Blik naar buiten: wat doet het met onze omgeving?
   
• Blik op de toekomst: hoe passen we ons aan het klimaat aan?
   
• Focus op het eindproduct: duurzame en gezonde voeding
   
• Slimme patatjes 
   
• Landbouwonderzoek in Vlaanderen
   
• Boekje Landbouw en wetenschap: een vruchtbare kruisbestuiving

Bronnen: verschillende publicaties van VIB, CAG, ILVO, VILT, VMM, Departement Landbouw en Visserij, IST/VITO, VLM, Departement Omgeving, PCA, Van den Borne Aardappelen, Wageningen UR, Wervel