Mensen veredelen allang tomaten om grotere maten te bereiken. Mutaties die gunstig zijn voor de grootte en andere eigenschappen kunnen echter ook averechtse effecten hebben. Een op 18 mei in Cell gepubliceerde studie bericht dat natuurlijke mutaties in twee belangrijke tomatengenen, die om verschillende redenen bij veredeling worden geselecteerd, extreme vertakking en een verminderde productie kunnen veroorzaken. De onderzoekers hebben echter een manier gevonden om deze genen te gebruiken om een tomatenplant te creëren die een groter aantal tomaten produceert.
Eén van de twee genen is oud en stamt uit de tijd dat indianen in Zuid- en Midden-Amerika tomaten meer dan 8000 jaar geleden begonnen te verbouwen. De onderzoekers ontdekten dat dit gen verantwoordelijk is voor de groei van de groene 'kap' boven de tomaten. Het andere gen, Jointless2, is een 20e-eeuwse mutant die resulteert in een gladde stam en een stevigere koppeling aan de plant. Jointless2 is bijzonder gewild omdat hiermee tomaten gemakkelijker geoogst kunnen worden. Maar de aanwezigheid van beide mutaties in één plant veroorzaakt wilde vertakkingen die eruit zien als een bezem.
"Je zou denken dat het goed is omdat meer takken op elke bloeigestel meer bloemen en meer vruchten betekent, maar meer takken en bloemen vertaalt zich niet altijd in meer vruchten," zegt hoofdauteur Zachary Lippman, een plantgeneticus bij Cold Spring Harbour Laboratory. "Om de vruchten aan te maken, moet de plant veel middelen in de jonge vruchten pompen terwijl ze beginnen te groeien. Maar de plant kan die onbalans van teveel vruchten niet aan dus is de vruchtbaarheid vrij laag." Sterk vertakte tomatenplanten produceren dus minder tomaten.
Lippman en zijn collega's besloten de genen achter bloeiende takken en hun groeipatronen te onderzoeken om te bekijken of planten met verminderde vertakking meer bloemen zouden hebben dan een niet-vertakkende plant maar niet zo veel dat de tomaten niet zouden groeien.
Deze foto toont hoe de onderzoekers erin slaagden verminderd vertakte, bloeiende scheuten te genereren met een hogere oogst door de genetische combinaties te reorganiseren van mutaties die een hogere tomatenvruchtbaarheid opleveren. Foto: Zachary Lippman
Het team ontdekte eerst genen die 'sterke vertakkende' mutanten veroorzaken. Ze vonden mutaties in twee nauw verwante genen, die beiden een rol spelen bij het initiëren van de bloemgroei. Een hiervan, Jointless2, was al bekend in de tomatengenetica, maar de functie van het tweede gen was onbekend. Om te weten wat het gen deed zonder Jointless2 gebruikten de onderzoekers CRISPR 'genbewerking' om een tomaat te creëren met een mutatie in het onbekende gen. De mutanten bleken grotere kelkbladen te produceren maar minder vruchten. Volgens Lippman is de mutatie aanwezig in meer dan 85% van de moderne tomaten, waardoor het lastig is om een Jointless tomaat te veredelen zonder het risico van extreme vertakking.
Volgens Lippman wisten veredelaars in de jaren zeventig al dat bij het populaire gebruik van Jointless2 het nodig zou zijn om vertakkingen te onderdrukken en in veel gevallen is dit gelukt, zelfs zonder dat ze wisten welk gen gemuteerd was. Dat is te zien aan de trostomaten die je in de supermarkt in niet-vertakte vorm terugvindt. "Maar het is niet in alle gevallen gelukt. Wij denken dat ze de kans hebben gemist om een verminderde vertakking te bereiken om voordeel te halen uit het bijsturen van de natuur."
Dankzij de identificatie van de vertakking drijvende genen konden de onderzoekers natuurlijke mutaties en CRISPR gebruiken om tomatenplanten te genereren met verschillende vertakkingsniveaus op het bloeigestel, ook een met verminderde vertakking maar een hoge productie. Lippman hoopt dat de resultaten van deze studie nuttig kan zijn voor zowel de tomatenveredeling als voor andere gewassen zoals de verwante aardappel, aubergine, tabak en paprika, maar mogelijk ook voor andere gewassen.
"Hoe meer we begrijpen van plantenbiologie, basismechanismen van de plantengroei en plantenontwikkeling, hoe meer kennis en handvatten we hebben om het systeem te sturen en op onze behoeften af te stemmen," zegt Lippman. "Zelfs de ontdekking van negatieve mutaties kan ten goede worden gekeerd."