`Dit was het inkoppertje'

Deze week publiceerde het Arabidopsis Genome Initiative de volledige basenvolgorde van de zandraket, Arabidopsis thaliana. Het gaat om een modelplant, de wetenschap kijkt nu uit naar de ontrafeling van economisch belangrijke landbouwgewassen.

Na bakkersgist, fruitvlieg, bodemaaltje, (bijna) de mens en een hele serie micro-organismen is nu ook de eerste plant genetisch volledig in kaart gebracht. Het betreft de zandraket Arabidopsis thaliana, eigenlijk een onkruid. Het Arabidopsis Genome Initiative, een consortium van 114 Amerikaanse, Europese en Japanse onderzoekers, heeft jarenlang gewerkt aan de opheldering van het eerste plantengenoom.

``Het in kaart brengen van complete DNA-volgordes heeft zich tot op heden vooral gericht op biomedisch toepasbare kennis – op de mens en op ziekteverwekkers. Maar vanaf nu zal genomics ook in de agrofood-sector een belangrijke rol gaan spelen'', voorspelt dr. Arjen van Tunen, directeur onderzoek bij het landbouwkundig instituut Plant Research International te Wageningen dat nauw betrokken is bij Arabidopsis-project. ``Door de identificatie van nieuwe nuttige genen komt de plantenbiotechnologie in een stroomversnelling. Maar ook de klassieke veredeling kan enorm profiteren, omdat men dan in plaats van op uiterlijke kenmerken, direct kan selecteren op de genen die voor de gewenste eigenschappen zorgen. Deze gengestuurde veredeling gebeurt dan nog steeds via gewone kruising en is dus ook geschikt voor de biologische landbouw'', aldus Van Tunen.

Ook op gebied van voedselveiligheid ziet Van Tunen nieuwe mogelijkheden dankzij genomics: ``Het zal mogelijk worden om de kwaliteit en de herkomst van een tomaat of een biefstukje met een DNA-test vast te stellen. De nauwkeurigheid hiervan maakt het waarschijnlijk mogelijk om de herkomst van een product tot op het niveau van de individuele teler te herleiden. Dat is dus enorm krachtig.''

``Dit was het inkoppertje'', zegt dr. Oscar Goddijn over de nu geleverde prestatie. Hij is projectleider gewasbescherming bij Zeneca-Mogen in Leiden. ``De zandraket met zijn kleine genoom kunnen we met de huidige stand van de techniek goed aan. Maar nu moet het echte grote werk gaan gebeuren. De genomen van de meeste planten zijn vele malen omvangrijker en ingewikkelder dan die van Arabidopsis.''

De eer om als eerste plant volledig gesequenced te worden, dankt de onooglijke zandraket aan zijn gunstige eigenschappen in het laboratorium. Het is makkelijk en snel in grote aantallen te kweken en het heeft een overzichtelijke hoeveelheid DNA. Mutanten zijn makkelijk te maken en het is een volwaardig plantje met wortels, bladeren en bloemen. Daarom hebben genetici Arabidopsis ontdekt als ideale modelplant.

In 1994, toen de Europese Unie een project initieerde om het DNA van Arabidopsis in kaart te brengen, was er aanvankelijk scepsis over het nut van deze exercitie. Dankzij de inspanningen van de Brit Michael Bevan van het John Innes Center in Norwich kon het project in augustus 1996 echter uitbreiden met Amerikaanse en Japanse groepen en werd het Arabidopsis Genome Initiative (AGI) opgericht. Doordat iedere groep een vastomschreven gedeelte van het DNA voor zijn rekening nam, werd dubbel werk voorkomen. Het project maakte sindsdien snelle vorderingen, uiteindelijk uitmondend in de publicatie van het volledige genoom eind deze week.

Ook Nederlandse wetenschappers participeerden in het AGI. Onder leiding van bioinformaticus prof.dr. Willem Stiekema tekenden Wageningse onderzoekers van het Plant Research International voor twee miljoen basenparen. ``En dat dan zeven keer'', voegt Stiekema toe, ``want het is nodig om het DNA diverse malen opnieuw te lezen om een betrouwbare kaart te krijgen.''

verdubbelde genen

Het DNA van de zandraket bevat 125 miljoen basenparen (bouwstenen of letters van de genetische code), verdeeld over vijf chromosomen. Onderzoekers van het AGI ontdekten 25.498 genen in het genoom van de zandraket; veel meer dan bijvoorbeeld de fruitvlieg met slechts 13.601 genen en de bodemworm C. elegans met 19.099 genen. Dat het er zo veel zijn is waarschijnlijk het gevolg van een verdubbeling van het genoom die in het evolutionaire verleden van de plant moet hebben plaatsgehad. Als aanwijzing daarvoor zien de onderzoekers dat maar liefst zestig procent van de genen dubbel voorkomt.

Bij planten gebeurt het wel vaker dat het genoom zich een of een aantal keren verdubbelt, meestal door duplicatie van de complete chromosomen. Wetenschappers nemen aan dat planten op deze wijze hun evolutievermogen vergroten; hierdoor kunnen ze ongestraft evolutionaire uitstapjes maken. Terwijl het ene gen zijn gebruikelijke functie blijft uitvoeren, is het andere vrij om te muteren en mogelijk een nieuwe gunstige functie te verwerven. Planten kennen in tegenstelling tot dieren en bacteriën niet de mogelijkheid van `alternatief splicen', waarbij één gen voor verschillende eiwitten kan coderen. Daarom moet het via de omslachtige manier van polyploïdie – een groter genoom kost meer energie en is dus minder efficiënt.

Van slechts negen procent van de genen van Arabidopsis is nu de functie experimenteel vastgesteld. Voor de rest hebben de AGI-onderzoekers geprobeerd een functie te vinden op basis van homologie met genen in andere organismen. Op die manier kon aan tweederde van de genen een voorlopige functie worden toegewezen. Wat betreft de functie van het resterende deel tast men nog geheel in het duister. De informatie is op het internet in een openbare databank opgeslagen.

Goddijn: ``Het is duidelijk dat dit nog maar het begin is. We zullen nog heel veel onderzoek moeten doen om precies te begrijpen hoe we de eigenschappen van planten kunnen beïnvloeden. De kennis die nu beschikbaar is gekomen, is nog te gering om een enorme progressie te verwachten.''

Goddijn vindt bovendien dat Arabidopsis zich niet zomaar laat vergelijken met alle andere planten. ``We proberen dat natuurlijk wel, maar vaak blijkt toch dat dezelfde genen in een ander organisme net iets anders werken. Dat is ook de reden dat veel veredelingsbedrijven nogal wat energie steken in het sequencen van diverse landbouwgewassen: het vaststellen van de genetische code. Wel denk ik dat je, als je eenmaal een lid van een bepaalde plantenfamilie in kaart hebt gebracht, paralellen kunt trekken naar andere gewassen in die familie. Dat geldt bijvoorbeeld voor de aardappel en de tomaat, beide behorend tot de nachtschadefamilie.''

Arabidopsis is familie van de kruisbloemigen. Hieronder valt ook een aantal economisch belangrijke gewassen zoals koolzaad, mosterd, radijs en kool (variërend van spruitjes tot bloemkool). Stiekema ziet er dan ook wel wat in om de Arabidopsis-kennis direct te gaan toepassen op kool. ``Doordat nu bekend is in welke volgorde de genen van kruisbloemigen ongeveer liggen, is veredelen veel makkelijker. Het is nu een kwestie van een paar keer heen en weer gaan tussen modelplant en het gewas.''

De volgende plant die op de nominatie staat om volledig gesequenced te worden is rijst. Hoewel het genoom van rijst meer dan vier maal groter is dan dat van Arabidopsis, is het vergeleken met andere gewassen nog steeds een kleintje. Dit voorjaar verraste het Amerikaanse biotechbedrijf Monsanto menig plantenbioloog door geheel onverwachts aan te kondigen dat het al een ruwe versie van de rijstkaart af had. Het bedrijf bleek het sequencewerk te hebben uitbesteed aan Leroy Hood, een vooraanstaande geneticus van de Washington University. Als gebaar van welwillendheid maakte Monsanto de basenvolgordes vervolgens publiekelijk beschikbaar.

De rijstkaart blijkt echter nog verre van betrouwbaar. Het International Rice Genome Sequencing Project, bestaande uit vooral Japanse en Amerikaanse academische groepen, spant zich nu in om de complete kaart in 2004 af te hebben.

tijdelijke informatie

Ter gelegenheid van de publicatie heeft Nature voor de abonnees de volledige basenvolgorde van Arabidopsis op cd-rom gezet. ``Het is een momentopname, want wij gaan natuurlijk verder met ons werk'', relativeert de Duitse bioinformaticus Werner Mewes, die leiding gaf aan het verwerken van de gegevens in een overzichtelijke databank. ``Voor wetenschappelijk onderzoek is dit schijfje waardeloos, omdat de informatie die het bevat nu al achterhaald is. Via internet vloeien dagelijks nieuwe gegevens in onze databank. Het is echter bedoeld als aardig aandenken aan het bereiken van deze mijlpaal.''

Net als bij eerder gepubliceerde genoomvolgordes moet het adjectief `compleet' niet al te letterlijk worden genomen. Van de 125 miljoen basenparen die het DNA van Arabidopsis telt zijn er nu 115,4 miljoen op volgorde gebracht. Een paar moeilijk te sequencen gedeeltes zijn overgeslagen, maar die bevatten waarschijnlijk geen genen. Mewes en zijn medewerkers zijn overigens meer dan tevreden over de kwaliteit van `hun' DNA-kaart. Mewes: ``Er zitten eigenlijk nog maar twee open plekken in, aan de uiteinden van chromosoom 2 en 4. Voor de rest is het een keurig aaneengesloten kaart. Heel wat anders dan de `gatenkaas' van het fruitvliegje, waar nog wel duizend open stukken in zitten.''

De komende jaren – de EU heeft subsidie toegezegd tot 2010 – zullen diverse onderzoeksprojecten verder graven naar de precieze betekenis van de aangetroffen Arabidopsisgenen. Ook Stiekema is weer van de partij met een onderzoek waarin 50.000 willekeurige Arabidopsis-mutanten gemaakt zullen worden, teneinde de functies van genen op te sporen.

Plant Research International heeft onder de naam Greenomics een bedrijf opgericht dat voor het eigen instituut of in opdracht van derden de basenvolgorde van DNA bepaalt. De vier sequence-apparaten van het bedrijf hebben samen een capaciteit van 400 miljoen basenparen per jaar. Daarmee heeft Greenomics binnen Europa één van de grootste sequence-capaciteit op agrarisch gebied.

Greenomics is nu in de race voor een grote overheidssubsidie via het Strategisch Actieplan Genomics, een programma waarin voorgesteld wordt 200 miljoen gulden beschikbaar te stellen voor genoomonderzoek in de agrofood sector. Vóór maart zal een commissie onder voorzitterschap van oud-Rabotopman Wijffels advies uitbrengen aan de regering over of en zo ja hoe het geld zal moeten worden verdeeld. Stiekema en Van Tunen achten het van groot belang dat het doorgaat. ``Nederland heeft een sterk bedrijfsleven in deze sector, van veredelaars en voedingsindustrie tot fijnchemie. Die zijn op zoek naar nieuwe uitdagingen, zoals het ontwikkelen van (gezondheidsbevorderende) functional foods en nieuwe methoden voor gewasbescherming. Als we niet investeren lopen we de kans deze glansrijke positie te verliezen.''

Stiekema voelt bijvoorbeeld wel wat voor een aardappel-consortium, waarin zijn eigen instituut, universitaire groepen en bedrijven als Avebe en Keygene samenwerken aan het ontrafelen van het aardappelgenoom. Hoewel er al veel expertise is in Nederland op het gebied van de aardappel zal het niet meevallen dit gewas genetisch volledig te karteren. De plant is tetraploïd (dat wil zeggen van alle chromosomen vier stuks) en heeft meer dan tien keer zoveel DNA als Arabidopsis. Stiekema is zich daar terdege van bewust, maar ziet wel mogelijkheden: ``Misschien moeten we kiezen voor een eenvoudige diploïde verwanten van de aardappel. Er moet iets gebeuren.''

www.arabidopsis.org/agi.html

www.monsanto.com

    • Sander Voormolen
    • Ben Scheres
    • Max Planck Institut