Onderzoekers van KeyGene en Wageningen University & Research hebben in samenwerking met collega’s uit Japan en Nieuw-Zeeland een gen ontdekt dat ervoor zorgt dat er in de vruchtbeginsels van planten embryo’s kunnen uitgroeien zónder dat de bloemen bestoven zijn. De uitvinding maakt het mogelijk om in de toekomst voor allerlei gewassen zaden te produceren die genetisch identiek zijn aan de moederplant, een fenomeen dat apomixis wordt genoemd.
De vondst is door onderzoekers van het Nederlandse onderzoekbedrijf KeyGene en Wageningen University & Research samen met onderzoekers van het Japanse veredelingsbedrijf Takii en Lincoln University uit Nieuw-Zeeland gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Genetics. In de publicatie laten de onderzoekers zien hoe het gevonden gen werkt en dat het gen ook van invloed is geweest op het onderzoek van Gregor Mendel, de ‘vader’ van de genetica. De onderzoekers verwachten dat deze vinding de komende jaren kan leiden tot belangrijke innovaties in de plantenveredeling.
Het gevonden gen heeft de naam PAR gekregen, naar het parthenogenese-proces dat door het gen aangestuurd wordt, en waarbij eicellen spontaan tot plantenembryo’s kunnen uitgroeien, zónder dat er bestuiving heeft plaatsgevonden. Voor de onderzoekers betekent de vondst van het gen de belangrijkste doorbraak en kroon op het werk van het onderzoek dat meer dan 15 jaar geleden bij KeyGene van start is gegaan.
Carla Oplaat van de WUR in het laboratorium
Apomixis
Apomixis wordt wel gezien als de heilige graal in de landbouw. Het maakt het mogelijk om unieke, superieure combinaties van eigenschappen in een plant in één klap vast te leggen, omdat planten die apomixis vertonen (‘apomictische’ planten) zaden maken die allemaal genetisch identiek zijn aan de moederplant. Apomixis kan de veredeling van innovatieve gewassen daarom versnellen en de zaadproductie goedkoper maken.
Het belang van apomixis voor de landbouw wordt al lang gezien, maar tot nu toe is het nog niet gelukt om apomixis succesvol in de veredeling toe te passen. In 2018 werd in de grassenfamilie al een gen ontdekt dat het parthenogenese proces aanstuurt. Genen die dat proces aansturen zijn op dit moment nog een ontbrekende schakel voor het gebruiken van apomixis. Helaas bleek het parthenogenese-gen van grassen niet buiten de grassen familie te werken.
15 jaar onderzoek
Meer dan 15 jaar geleden begon een team onderzoekers bij het Wageningse onderzoeksbedrijf KeyGene aan het ophelderen van de genetica achter apomixis. De gedachte was toen al dat het vinden van de genen die hier een rol in spelen, een doorbraak zou kunnen betekenen voor het gebruik van apomixis in gewassen.
In 2016 ontdekte het KeyGene team als eerste het zogenoemde DIP-gen. Dat gen codeert voor één van de twee stappen die apomixis mogelijk maken: diplosporie. Het DIP-gen zorgt ervoor dat het aantal chromosomen niet gehalveerd wordt bij de vorming van eicellen. De eicellen bevatten daardoor precies de zelfde volledige erfelijke informatie als de moederplant.
De ándere cruciale stap in apomixis is dat deze eicellen zich gaan delen en uitgroeien tot een embryo, zonder dat daar bestuiving voor nodig is. Dit proces heet parthenogenese. Het team ging na de vinding van het DIP-gen daarom op zoek naar het PAR-gen.
Paardenbloemen
De KeyGene-onderzoekers gebruikten bij hun onderzoek naar apomixis de paardenbloem, een van de circa 400 plantensoorten waarvan bekend is dat ze zónder bestuiving zaden kunnen vormen met dezelfde genetische eigenschappen als de moederplant.
Interessant van paardenbloemen is dat er tussen de wilde paardenbloemen naast ‘apomictische’ planten ook planten voorkomen die wél bestuiving nodig hebben voor de zaadvorming, oftewel ‘seksueel’ zijn. Het PAR-gen dat in de apomictische paardenbloem is gevonden, bleek ervoor te zorgen dat eicellen zich zonder bestuiving tot een plantenembryo kunnen ontwikkelen. Ook bleek dat het gen ‘aan’ staat in het stuifmeel.
Afbeelding links: zaadhoofdje van apomictische paardenbloem: elk zaadje is gevuld. Bij een seksuele paardenbloem hangt de zaadzetting af van de bestuiving en varieert dan tussen de 0 en 100%. Afbeelding rechts: rustende eicel in embryozak in een seksuele paardenbloem, wachtend op bevruchting.
Eicel gefopt
Bij het onderzoek was ook de leerstoelgroep Biosystematiek van Wageningen University & Research betrokken. Zij ontdekten dat het PAR-gen in eicellen normaal gesproken uit staat, maar in apomictische paardenbloemen áán staat. De eicel gaat dan delen, waardoor er een plantenembryo ontstaat. De eicel van een apomictische paardbloem “denkt” dus al dat ze bevrucht is en begint te delen zonder dat er bestuiving heeft plaatsgevonden.
Mendel
In Nieuw-Zeeland wordt aan de Universiteit van Lincoln ook onderzoek gedaan naar parthenogenese-genen, en wel bij havikskruid. Havikskruid is een plantensoort waar Gregor Mendel, de vader van de genetica, ook veel mee heeft gewerkt. Mendel ontdekte hoe eigenschappen overerven en uitsplitsen. De bijzondere resultaten die Mendel bij zijn kruisings-experimenten bij havikskruid vond - het soms ontbreken van uitsplitsing , werden veroorzaakt door apomixis.
De Nieuw-Zeelandse onderzoekers vergeleken het door de KeyGene onderzoekers in paardenbloem gevonden PAR-gen met de genen van havikskruid. Daarbij ontdekten ze iets dat de KeyGene onderzoekers ook bij paardenbloem gevonden hadden: alle planten bevatten PAR-genen, maar de planten met apomixis hebben een PAR-gen waar een extra stukje DNA zit. In het havikskruid zit dat extra DNA op nagenoeg dezelfde plek als in de paardenbloem. En dat terwijl de planten geen nauwe verwanten zijn.
Peter van Dijk van KeyGene
Springende genen
Uit verdere analyse bleek het extra stukje DNA een zogenaamd transposon te zijn: een stukje DNA dat zo nu en dan binnen het planten-DNA kan “springen” en zo van plaats kan veranderen. Bij paardenbloem én havikskruid zit er een transposon in het deel van het PAR-gen dat de activiteit van het gen regelt, de promotor. In de evolutie van zowel de paardenbloem als de havikskruid is dus toevallig een springend gen terechtgekomen in het PAR-gen, en wel op zó een manier, dat in allebei de plantensoorten apomixis ontstaan is.
Nu naar gewassen
Belangrijke vervolgvraag is of het PAR-gen uit paardenbloem en de nieuwe kennis over de genetica achter apomixis, gebruikt kan worden om voor belangrijke gewassen planten te veredelen die dankzij apomixis zaden vormen die genetisch identiek zijn aan de moederplant.
Veel planten waarbij géén apomixis voorkomt, blijken genen te hebben die sprekend lijken op het PAR-gen van de paardenbloem. Inmiddels is gebleken dat hetzelfde geldt voor het eerder gevonden DIP-gen. In potentie betekent dat, dat het DIP-gen en het PAR-gen breed toepasbaar kunnen zijn voor innovatie in de landbouw.
Het is de onderzoekers van KeyGene inmiddels gelukt om in samenwerking met wetenschappers van Takii te laten zien dat het PAR-gen ook in sla en zonnebloem kan zorgen voor parthenogenese. Dat is een belangrijke stap voor het uiteindelijk bij deze gewassen kunnen toepassen van apomixis.
De wetenschappelijke publicatie bij Nature Genetics is hier na te lezen: https://www.nature.com/articles/s41588-021-00984-y