Moleculaire veredeling van gewassen

Prof.dr. Paul Hooykaas
Hoogleraar moleculaire genetica
Universiteit Leiden

Kunnen we de groeiende wereldbevolking in de toekomst van voldoende voedsel blijven voorzien? De voortekenen daarvoor zijn niet gunstig. De bevolking lijkt nog met miljarden te gaan toenemen, terwijl de klimaatverandering zal zorgen voor meer weerextremen. Die kunnen goede oogsten teniet doen.

Toch is er hoop. De groene revolutie in de vorige eeuw heeft al laten zien dat de oogsten van gewassen snel kunnen stijgen via plaagbestrijding en veredeling. Deze traditionele veredeling vond plaats op basis van kennis van de morfologie, fysiologie en genetica van het gewas en een gezonde dosis intuïtie. Maar traditionele veredeling is een ongecontroleerd en langdurig proces. Gewassen krijgen nieuwe, gewenste eigenschappen door kruising met verwante, vaak wilde soorten. Tijdens het kruisingsproces krijgen de gewassen echter ook andere, ongewenste eigenschappen van hun verwante soorten. Die moeten via zogenaamde terugkruisingen grotendeels weer worden verwijderd.

Om aan de uitdagingen van de toekomst tegemoet te kunnen komen zullen we alle registers open moeten trekken. Met traditionele veredeling alleen redden we het waarschijnlijk niet. We moeten niet alleen nieuwe wegen ontwikkelen om agronomisch interessante genvarianten te vinden of te construeren, maar ook een methode van ‘moleculaire veredeling’ ontwerpen, waarmee deze snel, precies en gericht kunnen worden ingebouwd in gewassen.

Tegenwoordig wordt bij de veredeling al steeds meer gebruik gemaakt van kennis over het genoom en de chromosomen. Zo kunnen specifieke kenmerken van het DNA (merkers) de overerving van eigenschappen in het nageslacht voorspellen. Op deze manier kunnen zaailingen met gewenste eigenschappen vroeg worden opgespoord. De afgelopen jaren is ook van steeds meer gewassen het volledige DNA gesequenst. Dat wil zeggen dat de precieze basenparenvolgorde van de DNA strengen is vastgesteld, waarmee we een ‘blauwdruk’ van steeds meer plantenleven in handen hebben gekregen. Toch betekent dit niet dat we zomaar kunnen afleiden door welke stukken DNA de verschillende eigenschappen worden bepaald. Daarvoor moet eerst nog veel moleculair biologisch onderzoek worden gedaan. Het is daarom goed dat een groot aantal plantenonderzoekers al ongeveer 25 jaar geleden de krachten zijn gaan bundelen. Ze richten zich op één modelplant, die makkelijk te kweken is en een relatief klein genoom heeft: Arabidopsis thaliana ofwel de zandraket. Ongeveer 10 jaar geleden werd zijn genoom in kaart gebracht. Onderzoek aan de zandraket heeft ons intussen buitengewoon veel geleerd over de moleculaire basis van de groei en ontwikkeling van planten en de invloed daarop van licht, temperatuur en aanwezige plagen: kennis die tegenwoordig volop wordt benut bij de veredeling van gewassen.

Continuering van dergelijk onderzoek zal ook in de toekomst interessante genen blijven opleveren voor de veredelaar. Daarnaast zijn genen nodig of combinaties van genen, die ervoor kunnen gaan zorgen dat in planten de efficiëntie van de fotosynthese verbetert, ze met minder water toe kunnen of ze kunnen gaan groeien op zilte grond. Er zijn gentechnologische methoden in ontwikkeling die zullen helpen om dergelijke genvarianten te identificeren. In Leiden zijn we erg enthousiast over de mogelijke toepassing van zinkvingertranscriptiefactoren voor dit doel. Een zinkvingertranscriptiefactor is een DNA bindend eiwit dat de expressie van de genen beïnvloedt in het deel van het chromosoom waar de factor bindt.

Intussen zijn collecties planten aangelegd die elk een gen voor een iets andere zinkvingertranscriptiefactor (ZF-TF) bevatten en dus aan verschillende delen van het chromosoom binden. In dergelijke collecties wordt gezocht naar planten met nieuwe eigenschappen. De voor deze nieuwe eigenschap verantwoordelijke genen kunnen worden geïdentificeerd door analyse van de veranderingen in de genexpressie van de plant met de nieuwe eigenschap.

Om dezelfde eigenschap in geteelde rassen te verkrijgen, zullen de betrokken genen ook hierin moeten worden aangepast. Afhankelijk van de gewenste verandering zouden enkele baseparen in de regelgebieden van de betrokken genen moeten worden veranderd of de genen gedeeltelijk of in zijn geheel moeten worden vervangen door de geoptimaliseerde genen. Dergelijke precieze veranderingen kunnen nu nog niet of alleen met heel veel moeite worden aangebracht in planten. Ik verwacht dat dat in de toekomst wel mogelijk zal worden via processen als ‘gene targeting’ of ‘targeted mutagenesis’(gerichte mutagenese). De producten van dergelijke moleculaire veredeling zullen in tegenstelling tot de producten van de klassieke veredeling identiek zijn aan het oorspronkelijke gewas op de gekozen baseparenveranderingen na. Met de beschikbare, razendsnelle sequentie-analyse-apparatuur kan dat snel worden geverifieerd. Toch zal nog wel moeten worden afgewacht of de regelgeving in Europa tijdig zal zijn aangepast om dergelijke moleculaire veredeling ook in Europa toe te kunnen passen.


Andere bijdragen in Biologie, DNA, Klimaat, Leven maken, Voedsel