Koren klonen; Landbouwgewassen krijgen ongeslachtelijke zaadzetting

Paardebloemen, muizenoortjes en mango's kunnen zich ongeslachtelijk vermeerderen via zaad. Plantonderzoekers willen deze gemakkelijke vorm van klonen overbrengen naar granen en groenten.

'ALS BEDRIJVEN en overheden er maar genoeg geld in steken', zo meent de Australische plantonderzoeker dr. Anna Koltoenov, 'dan slagen we er zeker in om rijst te krijgen die zonder bevruchting zaad zet'. Koltoenov was onlangs gastspreker tijdens een bijeenkomst van het pas opgerichte Europese Plant Embryogenese Netwerk in Wageningen. De Australische kreeg veel bijval. Om landbouwgewassen te krijgen die via zaadzetting zijn te klonen, moeten de onderzoekers de genen vinden die ongeslachtelijke zaadvorming sturen. Naar verwachting levert deze zoektocht geen fundamentele problemen op. In de natuur komt aseksuele zaadvorming immers al voor.

Normaal moeten vrouwelijke planten eerst worden bevrucht voor ze zaad kunnen zetten. Een vrij omslachtig en risicovol proces. Insecten of de wind moeten het stuifmeel op de vrouwelijke bloemen brengen, waarna de mannelijke pollenkorrels een naar beneden groeiende buis vormen die naar de embryozak leidt. Daar versmelten twee mannelijke geslachtscellen met een vrouwelijke geslachtscel en een gewone cel (deze groeit later uit tot voedingsweefsel). Pas dan kan er zaad worden gevormd.

Nakomelingen kunnen minder sterk zijn dan de moederplant, omdat het ongewenste erfelijke eigenschappen van een vaderplant bevat. In zo'n geval is het dusgunstiger om de plant ongeslachtelijk te vermeerderen. In de natuur bestaat een proces waarbij planten zonder bevrucht te zijn toch zaad vormen, en zo klonen van zichzelf maken. Dat proces heet apomixis. Van zo'n driehonderd plantensoorten is bekend dat ze zich apomictisch kunnen voortplanten. Zo zijn er nogal wat soorten binnen het geslacht havikskruid apomictisch, waaronder het in Nederland voorkomende muizenoortje. Ook de paardebloem kan zich ongeslachtelijk via zaad vermeerderen, evenals sommige citrusvruchten en mango's. Plantonderzoekers willen deze eigenschap overbrengen naar commerciële gewassen.

Als apomictische landbouwgewassen worden gerealiseerd, kan dat een behoorlijke verschuiving in de zaadindustrie betekenen. Nu hebben bedrijven voor de productie van hoog-productief hybride zaad nog hectares grote velden met ouderrassen nodig die elk jaar opnieuw dezelfde hoog-productieve hybride zaden moeten vormen. Hybriden die aseksueel zaad zetten kunnen rechtstreeks, via zaadzetting worden vermeerderd waardoor de hybride zaadproductie veel goedkoper wordt. Met bijvoorbeeld aardappelen die aseksueel zaad vormen, hoeven de bedrijven geen ziektegevoelig pootgoed meer op te slaan. En met apomictische anjers, chrysanten of potplanten kan ook het bewerkelijke stekken en vermeerdering via weefselkweek worden vervangen door zaadvorming.

Apomictische rassen kunnen voor de bedrijven echter ook een nadeel betekenen. Hybriden bieden nu nog een natuurlijke bescherming tegen vermeerdering door boeren, omdat de nakomelingen van seksuele hybriden niet meer zulke uitmuntende eigenschappen hebben als hun ouders. Hybriden die aseksueel zaad zetten, kunnen boeren zelf vermeerderen.

ÉÉN CLUSTER

Zover is het nog lang niet. Wel zijn er in het fundamenteel plantonderzoek de laatste jaren dusdanige resultaten geboekt, dat de plantembryologen apomixis inmiddels als een realistisch doel zien. Koltoenov onderzocht jarenlang natuurlijke apomicten van het geslacht havikskruid. Uit kruisingen tussen seksuele en apomictische varianten bleek dat alle genen betrokken bij ongeslachtelijke zaadvorming, in één cluster in het erfelijk materiaal liggen. Deze concentratie maakt het zoeken naar de juiste genen wellicht gemakkelijker. En onlangs ontdekte ze iets dat de plantembryologen nog meer hoop geeft op apomictische landbouwgewassen. Met Amerikaanse collega's vond ze drie mutanten van de zandraket. De zandraket is een gemakkelijk te hanteren modelplant waarvan het erfelijk materiaal inmiddels door honderden onderzoekers chemisch en genetisch wordt bewerkt om afwijkende planten te krijgen. De zogeheten fis-mutanten die Koltoenov en haar collega's vonden, zetten zaad zonder bevrucht te zijn. Deze 'kunstmatig' verkregen, aseksuele zandraketzaden bevatten geen normale embryo's. Maar de zaden zitten wel vol endosperm, het voedingsweefsel van embryo's.

Het was al bekend dat embryo's zonder bevruchting kunnen worden gevormd. Maar dat voedingsweefsel spontaan kan ontstaan, was een verrassing. Gewoonlijk moet immers ook de cel die uitgroeit tot voedingsweefsel, eerst worden bevrucht. “Als dat inderdaad een voorwaarde was”, becommentarieert dr. Sacco de Vries van de Landbouwuniversiteit, coördinator van het plantembryologische netwerk, “dan zou het veel lastiger zijn om apomictische rassen te verkrijgen.”

De Vries zette een andere stap richting apomictische landbouwrassen. Zijn groep isoleerde een gen, SERK-gen geheten, dat al zeer vroeg in de embryonale fase tot expressie komt. Het SERK-gen blijkt de informatie te bevatten voor een receptor-eiwit dat een signaalstof uit de omgeving opvangt. Mogelijk kan een gen als het SERK-gen, in het DNA van een plant worden ingebouwd waardoor de plant spontaan embryo's gaat vormen in eveneens spontaan gevormd voedingsweefsel.

Het kan evenwel nog jaren duren voor dit lukt. “Voor embryovorming zijn waarschijnlijk tientallen signalen uit de omgeving nodig”, verklaart De Vries. “Deze signalen moeten op het juiste moment worden ontvangen. Het kan best dat spontaan gevormd voedingsweefsel niet het goede signaalveld genereert om een embryo te laten uitgroeien. Of andersom: dat het spontaan gevormde embryo niet de goede signalen afgeeft om het voedingsweefsel te laten uitgroeien. Dat kunnen we dan misschien bijstellen, bijvoorbeeld door de plant te sprayen met bepaalde hormonen.”

De afhankelijkheid van signaalvelden hóeft echter geen groot probleem te zijn. Er zijn opmerkelijke resultaten geboekt met zogeheten sleutelgenen, genen die andere genen controleren. Onlangs is een sleutelgen dat de bloei in gang zet, uit de zandraket in de esdoorn gezet. Dat ene gen zorgde ervoor dat de onvolwassen esdoorn binnen zeven maanden complete mannelijke bloemen verkreeg, terwijl toch ook bij bloei vele signaalstoffen zijn betrokken.

Dat slechts één sleutelgen apomixis stuurt, geloven de plantembryologen niet. Dat zou te mooi zijn. De onderzoekers denken aan ten minste drie sleutelgenen, maar misschien zijn het er wel tien. Om ze te vinden volgen ze verscheidene strategiën. Het Centrum voor Plantenveredelings- en Reproduktie-onderzoek (CPRO) in Wageningen bijvoorbeeld, maakt net als de Australiërs mutanten van de zandraket. Zo hoopt het nog niet beschreven apomictische mutanten te vinden. Wanneer eenmaal zo'n afwijkende zandraket is gevonden, is met de nieuwe genetische technieken binnen een half jaar het gemuteerde gen te isoleren.

KLASSIEKE MANIER

De Vries wil vanwege de maatschappelijke aarzeling over genetisch gemanipuleerde rassen de mogelijkheid openhouden om ook 'niet-transgene' wegen te volgen, en de nieuwe kennis te gebruiken om apomixis op de klassieke manier in te kruisen. De vraag is echter of dit voor veel rassen zal lukken. De meeste gewassen lijken geen apomictische verwanten te hebben.

Zelf vindt De Vries het inbouwen van genen in rassen zinvol, wanneer dit de landbouw werkelijk verder helpt. “Het zou echt heel mooi zijn wanneer kleine boeren met apomictische rijst snel hun beste rijstrassen konden vermeerderen, of wanneer veredelaars de meest resistente planten sneller konden vermeerderen. Maar ik vind het niet juist als je met patenten nu allerlei dingen dicht gaat timmeren. Dat is inderdaad wel wat nu gebeurt. Ik heb ook boter op mijn hoofd. Op het SERK-gen heeft Novartis nu een patent; het bedrijf heeft ons onder meer de mogelijkheid gegeven om de onderzoeker die het gen heeft geïsoleerd, nog vier jaar aan te stellen. Anders hadden we iemand op straat moeten zetten. Dat zijn de dilemma's waar we nu mee zitten.”

Intellectuele eigendomsrechten zijn voor het nieuwe plantenembryologisch netwerk nog een hoofdbreken. De bedoeling van het Europese netwerk is dat de onderzoeksgroepen elkaar aanvullen qua kennis en plantmateriaal, om zo gezamenlijk apomixis te lijf te gaan. Maar in het netwerk zitten ook bedrijven, dat was min of meer een voorwaarde van de EU om onderzoeksgeld te geven. Het levert echter wel spanningen op over geheimhouding. De Vries: “Fundamenteel onderzoek is gebaat bij openbaarheid. Daarbij vind ik: we doen onderzoek met geld van de EU en dan kan het toch niet zo zijn dat je alles geheim houdt. Maar bedrijven willen juist zoveel mogelijk bescherming. Wat ook weer begrijpelijk is gezien de niet zo beste patentpositie van Europa ten opzichte van Amerika. Het betekent voortdurend compromissen sluiten. Zoals bij dit congres. Vier dagdelen zijn openbaar en twee dagdelen zijn besloten.”