Het DNA van twee Arabidopsis lijnen, één afkomstig van de Kaapverdische eilanden en één uit Polen, verschilt op maar liefst 500 duizend punten. Maar de uiterlijke en moleculaire verschillen tussen nakomelingen van een kruising van deze lijnen, zo ontdekten onderzoekers uit Wageningen en Groningen, waren terug te leiden tot slechts zes hotspots – belangrijke plekken in het DNA. De rest van de verschillen was op stand-by gegaan. ‘Hoe verder je bij het DNA vandaan komt, hoe minder variatie er is. Het dooft uit en verliest zijn functie’, vertelt Joost Keurentjes, onderzoeker bij de leerstoelgroepen Erfelijkheidsleer en Plantenfysiologie van Wageningen Universiteit. De data-analyses lieten bovendien zien dat de uitdoving op alle tussenstappen van genotype naar het uiteindelijke fenotype plaats vindt.
De buffering ontstaat waarschijnlijk doordat de zandraket eiwitten bevat die collega-eiwitten bewaken. Een van deze chaperonnes zijn de heat shock proteïnes. Schakel je een van die eiwitten uit (zoals HSP90), dan ontstaat er meer variatie in het fenotype. ‘Deze begeleiders maskeren dus de variatie in eiwitten. Eiwit dat een klein beetje anders is geworden, blijft daardoor toch op dezelfde manier functioneren. Bij stress – een verandering ten opzichte van ideale omstandigheden – wordt deze chaperonne uitgeschakeld.’ De buffering van variatie is volgens Keurentjes ‘Darwinistisch logisch’. ‘Als alle genetische variatie meteen tot uitdrukking komt dan is een plant ten dode opgeschreven, want zijn omgeving blijft vrijwel gelijk. Pas in een andere omgeving komen de verschillen er weer uit. Dit mechanisme stelt een organisme dus in staat om tijdens gunstige omstandigheden mutaties op te hopen die pas effectief worden als de omstandigheden veranderen.’
Kettingreactie
De hotspots, die Keurentjes en zijn collega’s aantoonden en die zorgden voor de fenotypische verschillen, zijn de kwetsbare punten in het systeem van een plant. ‘De meeste mutaties hebben geen effect op het presteren van een plant. Maar als er op een paar cruciale plekken iets verandert, dan ontstaat een kettingreactie.’ De hotspots zijn afhankelijk van het plantstadium, de genetische achtergrond en de omgeving waarin ze opgroeien. In de bestudeerde kruising lag onder meer een blauwlichtreceptor, die de bloeitijd beïnvloedt, in een knooppunt. Ook was veel terug te leiden op het erecta locus. Als op die plek op het chromosoom een mutatie plaatsvindt, dan is de plant niet alleen zelf kleiner, maar korter in alles. ‘Het heeft effect op allerlei processen als cel- en plantgrootte. Bij een mutatie krijg je een heel andere plant.’ Van een derde hotspot is bekend dat die belangrijk is in het metabolisch systeem. Het bepaalt onder andere de energiehuishouding, en daarmee ook het dag- en nachtritme.Het is voor het eerst dat het bestaan van hotspots en de buffering van genen zo duidelijk zijn aangetoond, maakt de Wageningse hoogleraar Plantenveredeling Richard Visser duidelijk. ‘Het was al wel bekend dat eigenschappen met elkaar kunnen samenhangen, maar deze kennis biedt mogelijkheden om er daadwerkelijk mee te werken.’ Het laat zien dat je gerichter kunt zoeken naar stukjes DNA die bij meer processen in een plant betrokken zijn, en alert moet zijn als je een eigenschap wilt inkruisen die wordt bepaald door zo’n hotspot. ‘Het is duur om alle hotspots van alle gewassen in kaart te brengen. Maar bij tomaat, waar we binnen het Centre for Biosystems Genomics kijken naar vrucht en smaak, volgen we wel een soortgelijke benadering om bijvoorbeeld een hotspot voor smaak te vinden.’
Sturen
Het onderzoek naar de zandraket laat volgens Visser verder zien dat veredelaars in hun programma’s eigenlijk meer rekening zouden moeten gaan houden met de slechte planten in hun programma. ‘In de eerste ronde wordt 95 procent van de planten direct weggegooid. Maar daarmee gooi je veel informatie weg, waarmee je het proces naar een beter ras mee had kunnen sturen.’Visser ziet ook mogelijkheden voor de zoektocht naar planten die onder goede condities een piekopbrengst geven, maar dat ook doen onder mindere omstandigheden. Wilde varianten moeten hierin zeker worden meegenomen. ‘De toekomst ligt in de fenotypering van zoveel mogelijk verschillende genotypen of rassen. Wij zijn daar zelf ook mee bezig, met aardappel en gerst bijvoorbeeld, verspreid over de wereld. De meetmethodes zijn nu zo goed en nauwkeurig dat je kunt stellen dat de historische fenotyperingen eigenlijk opnieuw gedaan moeten worden.’
Het onderzoek van Joost Keurentjes werd gefinancierd door NWO en CBSG.
Bron: Nieuwsbrief Plant Sciences Group
