Wanneer de bloem verlept

Over vijf tot tien jaar controleren de eerste tuinders hun gewassen met een `dna-test' in de vorm van een dipstick: zoiets als de zwangerschapstest van de drogist, maar dan voor planten.

In een anjer die al een aantal uren of dagen in de koeling heeft gestaan, zijn andere genen aangeschakeld dan in een vers geoogste bloem. Met het blote oog zie je geen onderscheid, maar de DNA-test brengt subtiele fysiologische verschillen aan het licht. Voor de consument die op de markt een leuk boeketje uitzoekt is zo'n dipstick voorlopig nog niet weggelegd, want de productiekosten zijn ongeveer een tientje. ``Maar voor de inkoper van een grote supermarktketen is het wèl interessant'', zegt dr. Monique van Wordragen, onderzoekster bij het Wageningse Instituut voor Agrotechnologisch Onderzoek (ATO). Het ATO houdt zich bezig met de kwaliteit van landbouwproducten. Zo wordt gewerkt aan nieuwe kwaliteitstesten voor de fruitteelt. De meeste appels die in oktober van de boom komen, gaan een paar maanden de koelcel in. De kunst is om ze niet te rijp, maar ook niet te groen te oogsten en ze op de markt te brengen voordat ze melig worden. Maar die interne kwaliteit proef je er niet zomaar aan af: een appel die vandaag prima smaakt, kan in de koelcel nog drie maanden goed blijven of na een paar dagen melig zijn.

``Betere kwaliteitstoetsen moeten op den duur leiden tot efficiëntere ketens in de agribusiness met minder uitval'', zegt Van Wordragen. ``Je kunt ook denken aan testen om na het rooien van de aardappels nauwkeuriger te bepalen welke partijen aardappels je het beste meteen kunt consumeren, welke nog goed te bewaren zijn en welke meer geschikt zijn voor chips of andere vormen van verwerking.'' Uiteraard spelen raskenmerken hierbij een doorslaggevende rol, maar daarnaast hebben ook zon, regen en andere groeiomstandigheden grote invloed op de fysiologische conditie van de oogst.

Sinds 1999 werken ATO-onderzoekers samen met de overburen van Plant Research International aan de ontwikkeling van DNA-chips voor de agribusiness. Overigens heeft de DNA-chiptechnologie niets gemeen met de chips uit de micro-elektronica, behalve de feilloze precisie op de vierkante millimeter. Op een glasplaatje, niet groter dan een postzegel, passen tienduizenden snippertjes genetisch materiaal. Van Wordragen: ``Tot nog toe keken we met standaard moleculair-biologische technieken naar hoogstens tien genen tegelijk dan had je al een heel ingewikkeld experiment. Nu kunnen we naar duizenden genen tegelijk kijken. Daardoor krijg je een veel beter inzicht in wat er speelt in een plant, je kunt als het ware de zwarte doos in een cel aflezen. En als je dan de belangrijkste genen hebt opgespoord voor de eigenschap waarin je geïnteresseerd bent, zou je die op zo'n dipstick kunnen zetten, waarop de koper die op de bloemenveiling loopt een stukje bladmateriaal fijnwrijft. Zo'n praktische toets wordt onze volgende stap.''

``Ons instituut is hier in 1997 mee begonnen'', vertelt onderzoeker Robert Hall van Plant Research International. ``We hebben apparatuur aangeschaft die ontwikkeld is voor de Amerikaanse farmaceutische industrie.'' Daar wordt de DNA-chiptechnologie al toegepast om bijvoorbeeld de genetische achtergrond van tumoren te analyseren zodat men beter weet hoe men ze moet behandelen. Plant Research International was twee jaar bezig om het basisprotocol aan te passen voor het werken met planten. Daarover was nog nauwelijks iets gepubliceerd. De analyse van plantencellen is lastiger omdat ze vol zitten met allerlei suikers en polyfenolen, die de proef behoorlijk kunnen verstoren. ``En het recept moet van plant tot plant worden aangepast'', zegt Hall. ``Wij zijn nu de eersten in Europa die deze techniek bij planten toepassen. Nu kunnen we de genetica ontrafelen achter allerlei metabolische routes in de plantencel. Bij geur, smaak en andere kwaliteitseigenschappen spelen ingewikkelde biochemische processen, waarover nog weinig bekend was. Daarom hebben we deze apparatuur in huis gehaald. Bovendien kun je de DNA-technologie gebruiken voor het ontwikkelen van genetische merkers voor de plantenveredeling.''

genenklok

De Wageningse onderzoekers ontdekten dat er minstens 1500 verschillende genen bij de bloemontwikkeling van de iris betrokken zijn. Ze worden om beurten actief. In een pas ontluikende bloem zijn andere genen aangeschakeld dan in een verouderende bloem. Door in een tijdreeks een hele serie irisbloemen, van verse groene knop via rijpe bloem tot beginstadium van verwelking te vergelijken, kregen de onderzoekers hier meer inzicht in. Ze hebben voor de iris een genenklok gemaakt, waarbij de betreffende genen en hun mate van activiteit voor elk leeftijdsstadium in kaart zijn gebracht. Vervolgens is uitgezocht welke genen het meest kenmerkend zijn voor de conditie van een partij snijbloemen om die in een later stadium te kunnen gebruiken voor een snelle toets.

In het laboratorium druppelt een robot minuscule hoeveelheden van een DNA-oplossing op een glasplaatje: de DNA-chip of micro-array. De robot, afgeleid van een matrixprinter, kan vier- tot vijfduizend genen op één vierkante centimeter printen. Elk monster bestaat uit een druppeltje van een miljardste liter. Hun positie op de glasplaat is precies bekend, de robot werkt uiterst nauwkeurig.

Het uitwerken van de resultaten is een monnikenkarwei, maar de computer doet dit volautomatisch. De uitslag van de laboratoriumtest is binnen een half uur bekend. Van de meeste genen word je niet wijzer, omdat ze altijd aan blijken te staan (zoals genen die betrokken zijn bij de ademhaling van de cel) of juist uit (zoals genen die betrokken zijn bij de stuifmeelproductie). De kunst is nu om tussen die enorme massa informatie die zo'n tijdreeks oplevert de relevante genen op te sporen. Zo zou je bijvoorbeeld kunnen analyseren waarin een supersmakelijk aardbeienras zich nu precies genetisch onderscheidt. De geïdentificeerde genen kun je dan in principe gebruiken in de veredeling van aardbei of zelfs andere gewassen het originele materiaal waaruit het monster is genomen zit nog in de vriezer. Maar meestal is dat makkelijker gezegd dan gedaan, want vaak zal er sprake zijn van een wisselwerking tussen veel verschillende genen, die subtiel met elkaar samenwerken. ``Dat complexe proces kunnen wij nu prachtig in kaart brengen'', zegt Hall.

Van Wordragen: ``Het is ontzettend spannend om voor het eerst echt in zo'n bloemknop te kunnen kijken en zo'n complex proces als bloemontwikkeling, dat nog nooit in detail beschreven is, in de genexpressie terug te zien.'' In de jonge bloemknop vindt eerst nog volop celdifferentiatie plaats, waarbij de cellen delen en groeien, en daarbij veel met elkaar communiceren. De ene cel is bijvoorbeeld voorbestemd om zich tot een bloemblaadje te ontwikkelen, uit een andere zal een meeldraad groeien. Daarna houdt de celdeling op. Aan de genexpressie is te zien dat de communicatie tussen de cellen veel minder wordt. Er vindt alleen nog maar celstrekking plaats: alles wordt groter en breder, de knop gaat open en de bloemblaadjes vouwen zich naar buiten. En vanaf anderhalve dag na de oogst wordt de eerste verwelking aan de bloemrandjes al in gang gezet, ook al zie je daar nog niets van. De bloem haalt zoveel mogelijk voedingsstoffen terug uit zijn bloemblaadjes, die immers gedoemd zijn om af te vallen. Dat alles is terug te vinden in de genexpressie.

Van Wordragen: ``Alleen blijft het moeilijk om je experiment zo te ontwerpen dat je iets hebt aan die enorme massa data. Eén set experimenten levert al gauw 50.000 tot 100.000 datapunten op. Om die datapunten goed met elkaar te kunnen vergelijken en erin te selecteren moet je goede biologische en technische controles inbouwen om tot definitieve conclusies te kunnen komen.'' Als één bloem een uurtje te lang in de zon heeft gestaan, gaan er andere genen aan, die misschien samenvallen met het inzetten van de veroudering, maar daar niets te mee maken hebben. De iris is als eerste proefkonijn gekozen omdat die tamelijk uniform is en zich altijd netjes binnen een week van groene knop tot verleppende bloem ontwikkelt. De anjer, waarmee nu ook wordt gewerkt, blijkt al een stuk heterogener.

Van Wordragen: ``Met de micro-arraytechniek kijken we niet alleen naar verschillen tussen genen, maar vooral naar verschillen in genactiviteit als gevolg van groei en ontwikkeling of reactie op invloeden van buitenaf. Waarom wordt de ene zonnebloem vier meter hoog en een andere zonnebloem uit het zelfde zakje zaad maar twee meter? Dat heeft te maken met verschillen in genexpressie, daar kunnen we nu voor het eerst een vinger achter krijgen. Vroeger schenen we met een zaklantaarn in het genenpakhuis, nu doen we het licht aan.''