Kunstzaad nog in kiemfase

Kunstzaad bestaat uit pareltjes met voedings- stoffen die embryoïden bevatten, beginnende kiemplantjes die zijn voortgekomen uit weefselkweek. Kunstzaad is uniform en kan snel geproduceerd worden.

Iedere willekeurige cel uit een blad, stengel of wortel is in staat uit te groeien tot een volledig nieuwe plant. Deze zogenoemde totipotentie bezitten dieren niet. De weefselkweek stoelt op deze eigenschap van plantencellen en wordt vooral in de sierteelt toegepast. Via klonering kunnen oneindig veel identieke, homogene planten worden gemaakt uit een en dezelfde moederplant. Bijna alle varens, gerbera's en Kaapse viooltjes in onze huiskamers zijn langs die weg vermeerderd.

In het veredelingsonderzoek maakt men gebruik van weefselculturen om gewenste erfelijke eigenschappen in te brengen in planten zonder het tijdrovende kruisen. Bij weefselkweek zorgt het plantenhormoon auxine voor de wortelvorming en cytokinine voor scheutvorming.

Onoplettende assisent

In 1958 ontdekte men bij toeval dat bij weefselkweek ook somatische embryogenese mogelijk is. Hierbij groeit uit een plantecel een weefsel dat sterke gelijkenis toont met een embryo, die normaal alleen uit zaad voortkomt. Een onoplettende assistent van de Amerikaanse onderzoeker Steward vergat per ongeluk het hormoon auxine toe te voegen bij een celsuspensiecultuur van wortel. Hij zag de cellen acuut uitgroeien tot embryoiden (embryo's in vroege fase) in plaats van zich verder op te splitsen in identieke cellen. Dit mechanisme werd vrijwel tegelijk ontdekt door de plantenfysioloog Reinert in Duitsland.

De eerste twintig jaar is bijna niets gedaan met deze vinding. Tot in 1984 de Amerikaan Redenbaugh op het idee kwam om door omhulling van embryoiden kunstzaad te maken. Dit lukte het eerste bij lucerne (alfalfa). Hiertoe stopte hij de embryoïden in een alginaatoplossing waaraan de nodige suikers en fysiologische zouten waren toegevoegd als reservevoedsel. Een embryoïd bevat namelijk nauwelijks reservestoffen om in de grond te kunnen uitgroeien. Een druppel van deze alginaatvloeistof in een calciumoplossing verandert meteen in een gelbolletje. Dit principe voor kunstzaad is in 1984 gepatenteerd door Redenbaugh.

Kunstzaad is voor verschillende gewassen een uitkomst. Zo zijn de gewone zaden van koffie- en cacaoplanten niet houdbaar (recalcitrante zaden). Voor de bananenteelt is kunstzaad aantrekkelijk omdat deze plant niet via zaad, maar vegetatief wordt vermeerderd door arbeidsintensief stekken. Ook boomkwekers zijn genteresseerd in kunstzaad, omdat bomen pas na vele jaren zaad produceren. Zo geven denne-achtigen als coniferen pas na 20 tot 30 jaar zaad. Een kwalitatief goede, ziekteresistente variant kan via kunstzaad al na een of twee jaar worden vermeerderd.

Het is echter nog nergens in de wereld gelukt om kunstzaad op commerciële schaal rendabel te maken. Grootste probleem is dat het kunstzaad niet lang te bewaren is. Gewoon zaad wordt meestal gedroogd, waardoor de potentiële plant in een rusttoestand wordt gebracht. Door opname van water, meestal na het uitzaaien, komt het kiemproces op gang en groeit het zaad ongeschonden uit tot een plant. Dankzij deze natuurlijke overlevingsstrategie komen talloze planten de winter door, zoals de meeste onkruiden. Er zijn zelfs zaden ontdekt van tienduizend jaar oud in het poolijs die nog volledig intact waren.

De embryoiden leggen echter onmiddellijk het loodje als ze uitdrogen. De embryo's moeten dus uitdroogtolerant worden gemaakt zonder dat de levensvatbaarheid verloren gaat.

Modelgewas

De Wageningse vakgroep Plantenfysiologie is het nu gelukt om kunstmatig verkregen wortelembryoïden uit te drogen en ze vervolgens te laten uitgroeien tot planten. De vakgroep heeft gekozen voor peen (wortel) als modelgewas, omdat van deze plantensoort al veel bekend is over regeneratie via somatische embryogenese.

Coordinator van het onderzoek naar uitdroogtolerantie dr.ir. Folkert Hoekstra: "Onder gecontroleerde luchtvochtigheidscondities kunnen we in vitro wortelembryo's uitdrogen tot gehaltes vergelijkbaar met gangbaar zaad, dat betekent vijf procent water. Bij dat punt schimmelt het zaad niet en ligt de kiemgroei stil. Na een zekere bewaartijd kunnen we de droge embryoïden laten kiemen en verder laten uitgroeien tot een kiemplantje. Het is inmiddels gelukt om bij kamertemperatuur droge embryoïden een half jaar lang vitaal te houden."

Probleem is wel dat er snel veroudering optreedt. De kiemkracht van het kunstzaad loopt sterk terug; van 100 procent na een week tot minder dan 20 procent na zes maanden. "We vermoeden dat dat komt door onze methode van bewaren, die verre van optimaal is. Maar ons eerste doel was om het zaad droogtetolerant te maken en dat is gelukt. De rest komt later wel,' zegt Hoekstra optimistisch.

Om uitdroogtolerantie beter te begrijpen wordt bestudeerd welke mechanismen een rol spelen tijdens het drogingsproces. De celstructuur en vooral de membranen bestaan bij de gratie van water. Bij uitdroging valt water weg als geladen polair medium. Tegelijk neemt het volume van de cellen af. "Als je een microscopische foto van een verschrompeld, uitgedroogd embryoïd ziet dan denk je hoe kan dat ooit nog goed komen', zegt Hoekstra.

Het embryoïd beschermt zich blijkbaar tegen de gevolgen van uitdrogen. De suikers saccharose en umbelliferose kunnen het verdwijnende water aan het membraanoppervlak grotendeels vervangen, waardoor de stabiliteit van de membranen behouden blijft. Dat is met in vitroproeven aangetoond. De suikers, die na toevoeging van abscisinezuur door het embryoïd zelf worden gemaakt, beschermen eveneens de aanwezige eiwitten en enzymsystemen. "Maar er is meer aan de hand', aldus Hoekstra. "Want bij wortelzaad gaat een hoog suikergehalte lang niet altijd gepaard met droogtetolerantie. Wel is het zo dat zonder suikers er in elk geval geen droogtetolerantie optreedt.'

Trisachariden

Volgens Hoekstra is het een complex van factoren die met elkaar samenhangen. "Het is lastig onderzoek, want er gebeurt van alles tegelijk. Als je naar een factor kijkt dan weet je niet hoe een andere factor verandert die er mogelijk ook invloed op heeft. Zo zijn suikers in het embryoïd onmisbaar voor de ademhaling. Maar suikers zijn ook nodig om de celmembranen te beschermen. Probeer die dubbele functie maar eens te ontkoppelen.'

Volgens Hoekstra is er een speciale rol weggelegd voor trisachariden. Aanmaak van deze suikers wordt, net als van sacharose, geïnduceerd door toevoeging van het hormoon abscisinezuur en hebben mogelijk te maken met de overlevingsduur. Trisachariden zitten ondermeer van nature veel in erwten en veroorzaken na consumptie winderigheid, omdat het alleen afbreekbaar is door bacteriën in de darm.

Erg veel weten de onderzoekers dus nog niet. Ook niet bijvoorbeeld waarom na het verdwijnen van water de zouten in het droge embryoïd niet kristalliseren, zoals men zou verwachten. Kristallisatie zou funest zijn voor het embryoïd. "Mogelijk dat er nieuwe eiwitten ontstaan die de zouten binden. Maar dat moeten we nog onderzoeken', zegt Hoekstra.

De kiemkracht loopt in elk geval deels terug door het ontstaan van vrije radicalen, zo blijkt uit Belgisch onderzoek. De vorming van lipid-peroxidatieprodukten proberen de onderzoekers de kop in te drukken via anti-oxydanten, zoals vitamine E uit sojabonen.

De biofysiche en -chemische processen in somatische wortelembryoiden zijn vermoedelijk voor alle planten gelijk, meent Hoekstra. Vandaar ook dat zaadbedrijven nieuwsgierig meekijken over de schouders van de onderzoekers. De meeste bedrijven doen achter de schermen ook zelf onderzoek naar arteficieel zaad. Kunstzaad heeft namelijk grote voordelen vergeleken met natuurlijk zaad.

Hoekstra: "Op kleine schaal kun je een heleboel individuen maken zonder veel arbeid in te zetten. Ander punt is dat je jaarrond ziektenvrij kunt produceren. Zaadproduktie buiten eist bestrijding van schimmels, virussen en bacteriën die het zaad kunnen aantasten. Na de oogst moet het zaad om die reden weer chemisch worden ontsmet. Kunstzaad is dus milieuvriendelijker. Je bent bovendien onafhankelijk van het klimaat. Te natte of te droge zomers kunnen de zaadoogst niet verpesten.'

Ook gaat de produktie sneller, want de vegetatieve plant hoeft niet eerst te worden gevormd, en de hele generatieve fase van bloem, stuifmeel, stamper, bevruchting en zaadvorming wordt overgeslagen. Dat is vooral aantrekkelijk voor boomkwekers, die jaren moeten wachten tot de boom in bloie komt.

Steriele hybridenlijn

Iets anders is de planning van zaadproduktie. Een zaadteler moet vier a vijf jaar van tevoren weten wat hij wil verkopen. Eerst moet hij de ouders selecteren en vermeerderen. Het jaar daarop de ouders uitzetten en weer een jaar later de F1 hybrideplanten. Hoekstra: "Via somatische embryogenese kun je van een mannelijk steriele hybridelijn heel snel veel materiaal produceren dat genetisch identiek is. Via kunstzaden heb je snel uniforme kwaliteit plantmateriaal waar je een liniaal langs kunt leggen.'

Wereldwijd spitst het onderzoek naar kunstzaad zich toe op schermbloemigen (wortel, karwij en selderij), lucerne en coniferen als modelgewassen. Voor de commerciele teelt zijn de resultaten veelbelovend voor naaldbomen, citrusvruchten, koffie en banaan. "Van coniferen zal het eerste kunstzaad al binnen enkele jaren op de markt zijn', verwacht dr. Raoul Bino van het DLO-centrum voor Plantenveredelings- en Reproduktieonderzoek.

Bij koffie is het vrij gemakkelijk om somatische embryoïden te maken op redelijk grote schaal. De embry- oden hoeven niet noodzakelijk uitdroogtolerant te zijn, omdat ze toch meteen het veld ingaan. Franse onderzoekers hebben uitgerekend dat de totale hoeveelheid koffiestruiken in de wereld binnen een half jaar zijn te vervangen door planten verkregen uit somatische embry- oïden. Voorwaarde is wel dat eerst de kieming onder veldomstandigheden verder moet worden opgeschroefd. Nu ontstaan er nog te weinig kiemplanten uit de kunstzaden. Hetzelfde geldt voor bananen.

Naast een lage kieming van 20 à 30 procent is de prijs nog een struikelblok. Die hoge prijs heeft te maken met het lage opkomstpercentage. Zo bedragen de kosten voor een lucernekiemplantje uit kunstzaad een halve dollar. Die meerprijs is voor een boer niet op te brengen. Maar bij veredelingsprogramma's heeft men die hoge prijs er graag voor over. Bino: "Wil je nakomelingen van een genetisch veranderde ouderplant, dan kan dat het snelste via kunstzaden. Dat maakt het veredelingsprogramma een stuk efficienter.' Bij komkommerveredeling worden, evenals bij de verwante meloen, somatische embryoiden al gebruikt als "halffabrikaat'.

Kunstzaad van tomaat blijft voorlopig nog een utopie, terwijl het voor dat tuinbouwgewas juist extra welkom zou zijn. Voor de zaadproduktie van hybridelijnen worden de bloemen met de hand ontdaan van de meeldraden om zelfbestuiving te voorkomen. Mede hierdoor kost ieder tomatezaadje enkele dubbeltjes. "Als je begrijpt waarom somatische embryogenese bij wortel wel lukt en bij tomaat niet, dan ben je koopman', zegt Hoekstra.