Moderne veredeling

Grote sprongen voorwaarts

Klassieke veredeling is vooral tijdrovend en weinig stuurbaar. Hoe meer er bekend wordt over achtergronden van interessante eigenschappen van planten, hoe meer de behoefte ontstaat om gericht veranderingen in planten aan te brengen. Ook moet het allemaal veel sneller, mede door de bevolkingsgroei en de daarmee samenhangende veranderende leefomgeving die voortdurend nieuwe eisen stelt aan de verschillende gewassen. Door bepaalde technische ontwikkelingen is het de laatste jaren mogelijk gericht en sneller te veredelen. We spreken van moderne veredelingstechnieken.

Tot aan het begin van de 20^ste eeuw bestond plantenveredeling vooral uit het selecteren van de beste planten of zaden uit de van nature aanwezige variatie binnen een bepaalde plantensoort. Hierdoor werd de uniformiteit van landbouwgewassen groter. Het zelf maken van gerichte kruisingen tussen planten om nieuwe variatie te doen ontstaan en zodoende nog betere planten te kunnen selecteren, werd pas populair na de herontdekking van het werk van Gregor Mendel, die in de tuin van zijn klooster erwten kweekte en kruiste. Zijn erfelijkheidswetten legden de wetenschappelijke basis voor de moderne plantenveredeling.

DNA analyse (sequencing) begon op te komen halverwege de 20^ste eeuw. In 1953 publiceerde Sanger de sequentie van het gen voor insuline. Vanaf die tijd werd het mogelijk genen te ontdekken en regulerende mechanismen op het spoor te komen.

Sequencing bleef een tijdrovende en kostbare bezigheid.

In 1970 werd de zogenaamde recombinant DNA technologie ontwikkeld. Voor het eerst werd het mogelijk gericht veranderingen in DNA aan te brengen. Dit heeft in eerste instantie vooral geholpen inzicht te krijgen in de functies van specifieke genen.

In 2000 werd het eerste volledige genoom (de complete DNA sequentie) van Arabidopsis thaliana bepaald. A. thaliana is tot op vandaag nog een belangrijk modelgewas voor fundamenteel wetenschappelijk onderzoek en wordt gebruikt voor het functioneel testen van specifieke genen en hun promotor gedeelte.

Doordat er steeds meer informatie over nucleotide volgorden beschikbaar kwam werd de ontwikkeling van DNA markers ook flink vooruitgeholpen. Daarmee konden gewassen beter gekarakteriseerd worden (een soort unieke vingerafdrukken gemaakt worden) en werd het volgen van aan markers gekoppelde eigenschappen bij kruisingen ook eenvoudiger.

Met de komst van de zogenaamde Next Generation Sequencing (NGS) technologie heeft sequencing een enorme vlucht genomen. Het eerste commerciële NGS platform kwam in 2005 beschikbaar.

Vanaf toen werd het mogelijk in sneltreinvaart en tegen redelijke kosten de nucleotidenvolgorde van complete genomen (complete DNA pakketten van cellen) te analyseren. Op Wikipedia is al een indrukwekkende lijst te vinden van planten waarbij de volledige DNA sequentie in kaart gebracht is. Daarmee kunnen dus steeds meer eigenschappen gekoppeld worden aan daarvoor verantwoordelijke genen en kunnen regulatie mechanismen (die bepalen wanneer een bepaald gen actief of juist inactief is) verder opgehelderd worden. Gerichte veredeling heeft daarmee ook een sprong voorwaarts gemaakt en technologieën om gericht verandering aan te brengen in het DNA van planten liepen parallel.

Zo is het CRISPR mechanisme ontdekt in Japan in 1987. Pas in 2012 is CRISPR-Cas9 naar buiten gebracht als radicaal nieuwe methode om genen in levende organismen te veranderen (Universiteit van Californië, Berkeley).

Zie ook dit artikel van de NewScientist over genoomsequentie van het plantje Arabidopsis thaliana.

Moderne veredeling

DNA analyse is steeds hand in hand gegaan met de ontwikkeling van nieuwe veredelingstechnieken. De belangrijkste doelen daarbij zijn: versnelde ontwikkeling van nieuwe rassen en meer controle over veranderingen die nodig zijn om een bestaand ras aan te passen aan de veranderende behoefte. Nieuw ontwikkelde technieken openen steeds meer mogelijkheden voor toepassing binnen een grote verscheidenheid aan gewassen. Hieronder volgt een korte beschrijving van de belangrijkste beschikbare technieken op dit moment.

In grote lijnen zijn de technieken te groeperen aan de hand van het opgeleverde gewas dat:

Nieuw DNA bevat
Veranderd DNA bevat
Geen nieuw of veranderd DNA bevat

Voor 1. (nieuw DNA) worden de volgende technieken gebruikt:

Cisgenese
Intragenese
Sequence-specific nuclease technologie (SSN-3)

Voor 2. (veranderd DNA) worden de volgende technieken gebruikt:

Sequence-specific nuclease technologie (SSN-1,2 en 3)
Oligo-directed mutagenesis (ODM)

Voor 3. (geen nieuw of veranderd DNA) worden de volgende technieken gebruikt:

Sequence-specific nuclease technologie (SSN-3)
RNA dependent DNA methylation
Reverse breeding
Induced early flowering
Grafting on GM rootstock

Korte uitleg over de verschillende genoemde technieken:

Cisgenese. Bij de verandering van eigenschappen van planten door cisgenese worden alleen genen gebruikt van de plant zelf of van planten waarmee de betreffende plant gekruist kan worden. In wezen zou een dergelijke verandering van eigenschappen dus ook op een natuurlijke manier kunnen plaatsvinden, alleen is de kans daarop waarschijnlijk erg klein en moeilijk te ontdekken.

Een voorbeeld hiervan is de ontdekking van een gen voor schurftresistentie bij appel in 1953. Ondertussen heeft het, door klassieke veredeling, 70 jaar geduurd voor er een schurftresistente appel (Natyra) beschikbaar was die én goed smaakt én goed bewaarbaar is. Tegenwoordig zou dit proces veel sneller kunnen gaan. Uiteindelijk was in 1953 al bekend welk gen precies nodig was.

Intragenese. Deze methode lijkt sterk op cisgenese, alleen worden ‘eigen’ genen veranderd. Er wordt bijvoorbeeld een andere promotor aan een gen gekoppeld die ervoor zorgt dat het gen veel actiever wordt. Al het materiaal (promotors en genen) is, net als bij cisgenese, ‘eigen’. Alleen is het vrijwel ondenkbaar dat in de ‘natuur’ dergelijke combinaties zullen ontstaan. Zo kan bijvoorbeeld een gen voor pigmentatie actiever gemaakt worden door er een andere promotor voor de plaatsen.

Sequence-specific nuclease technologie (SSN). Een heel aantal methodieken, waaronder CRISPR-Cas, die gebruikt worden om zeer gericht veranderingen in het DNA aan te brengen vallen onder deze groep. Op specifieke plaatsen wordt een knip aangebracht in het DNA waarna het eigen herstel mechanisme (dat eigenlijk altijd en overal met het DNA bezig is) de knip gaat herstellen. Het herstel kan echter beïnvloed worden met het volgende resultaat: of er ontstaat een zgn. deletie (een of meer nucleotiden zijn blijvend verwijderd), of er wordt een stuk DNA tussen gezet dat net iets anders is dan wat er oorspronkelijk aanwezig was, of er wordt een heel ander stuk DNA tussen gezet (zie onderstaande figuur). Het bijzondere van deze groep methodieken is dat je volledige controle hebt over de verandering die aangebracht wordt. Als er een plant uitkomt die zich onverwacht gedraagt is precies aan te wijzen wat de oorzaak is. Vanwege dit gegeven wordt dit soort technieken beschouwd als meest veelbelovend. En staat, in elk geval CRISPR-Cas, veel in de aandacht.

Oligonucleotide-directed mutagenesis. Deze technologie is een variant op SSN. Er worden kleine stukjes (oligo) zeer specifieke DNA in de plantencel gebracht die in het geval van een breuk van het DNA op een plaats die grotendeels overeenkomt met die van de ingebrachte oligo, een kleine verandering aanbrengt. De breuk in het DNA wordt niet geforceerd (er wordt dus niet actief geknipt) maar het ontstaan van de breuk is puur afhankelijk van de natuurlijke breukfrequentie die optreedt in het DNA.

Met nog minder ingrijpen worden dus kleine veranderingen aangebracht. Wel is de kans kleiner dat de actie succesvol is (er wordt immers niet geknipt in het DNA).

RNA dependent DNA methylation. Door slim gebruik te maken van een mechanisme dat de plantcel gebruikt om indringend DNA af te breken kunnen genen op het DNA van de plant door chemische verandering geblokkeerd worden. Het DNA zelf veranderd dus niet maar het desbetreffende gen wordt alleen inactief.

Reverse breeding. Veel waardevolle producten van kruisingen kunnen niet meer vermeerderd worden via zaad. Reverse breeding richt zich op aanpassingen van de gebruikte ouders voor dit soort kruisingen zodat vermeerdering toch mogelijk wordt. Gebruikte ouders worden zogenaamd homozygoot gemaakt: normaal bevatten planten twee exemplaren van elk chromosoom (2n) die sterk van elkaar kunnen verschillen: een exemplaar van de vader, een van de moeder. Nu worden de planten zo gemaakt dat ze twee, zoveel mogelijk identieke chromosomenparen hebben. Op die manier kunnen nakomelingen vermeerderd worden via zaad waarbij de waardevolle eigenschappen behouden blijven.

Een van de manieren om de twee chromosomen identiek te krijgen is door het (gedeeltelijk) uitschakelen van het ‘recombinatie’ proces. Hiervoor wordt een specifiek gen toegevoegd aan de planten dat er later, in de waardevolle nieuwe nakomeling, weer uitgekruist kan worden. De uiteindelijke nieuwe plant bevat dan geen ‘vreemd’ DNA meer.

Induced early flowering. Als appelbomen vanuit zaad opgekweekt worden duurt het 5 tot 6 jaar voor ze bloeien. Door introductie van een speciaal gen wordt ‘vroege bloei’ mogelijk. Al na 1 jaar bloeien da planten en wordt er zaad gevormd. Dit kan het veredelingsproces enorm versnellen. En net als bij Reverse Breeding wordt ook hier uiteindelijk dit gen voor vroege bloei uit de plant gekruist zodat het nieuwe ras vrij is van ‘vreemde’ genen.

Grafting on GM rootstock. Veel agrarische gewassen worden geënt op een onderstam. Niet alleen appels, druiven of rozen maar ook tomaten en komkommers. Met moderne veredelingstechnieken worden onderstammen zo veranderd dat ze gunstige eigenschappen hebben. Zoals bijvoorbeeld resistentie tegen bepaalde bodemschimmels of mogelijkheden om te groeien op ongunstige bodemtypen. Het fruit producerende deel (dat geënt wordt) is niet (gericht) genetisch veranderd.