Struik of tulp

Petunia’s die nooit bloeien, of petunia’s met maar één bloem. Allemaal mogelijk door manipulatie van een paar mastergenen. Er zijn ook ingrepen die de kweker wel blij maken.

Elk jaar komen er wereldwijd zo’n 500 tot 1.000 nieuwe varianten petunia’s op de markt. Donkerpaars met witte strepen, helder roze met een zachtroze randje, zalmkleurig, geelwit met een wit hartje, kersenrood of lichtpaars met vlekjes, ze onderscheiden zich vaak door hun kleur. Maar ze kunnen ook kruipen of hangen, hebben grote bloemen of kleine bloemetjes, dubbele bloemen of compact bij elkaar bloeiende bloemen. Steeds minder lijken ze op de twee soorten wilde petunia’s uit Zuid-Amerika waar ze van afstammen. De ene is de meterlange witte Petunia axillaris, de ander het paars bloeiende plantje P. integrifolia. De inmiddels 200 jaar oude tuinplant is een kruising van beide.

Eén eigenschap hebben de duizenden petuniavarianten op de markt tot nu toe nog gemeen, en dat is dat alle bloemen in zogeheten cyme-trossen bloeien, ook wel sikkels of schichten genoemd, een soort zig-zagstructuren die vaak zwaar naar beneden hangen zoals bij tomatenplanten (familie van de petunia). Tuincentra verkopen nog geen petunia’s met een bloeiwijze als de tulp (enkelvoudige bloem), het leeuwebekje (aar), groot hoefblad (pluim) of zevenblad (scherm). Dat komt doordat de vorm waarin bloemen bloeien door conventioneel kruisen en selecteren meestal niet is te veranderen. De bouw of ‘architectuur’ van de petunia – en ook van andere planten – kan echter wel steeds gerichter worden veranderd met genetisch-moleculaire technieken.

Dat is precies wat moleculair biologen op de Vrije Universiteit in Amsterdam doen. Daar is het onlangs gelukt om, door het uitschakelen van slechts één gen, een ‘tulpachtige’ petunia te maken met maar één bloem. En ook is het gelukt om door het overal in de plant aanschakelen van een ander gen, van de petunia een grote groene struik te maken.

“Kijk, hier heb je de struik”, zegt onderzoeksleider en hoogleraar ontwikkelingsgenetica Ronald Koes in de kas van de VU, terwijl we langs allerlei kleuren en maten petunia’s lopen. “Ik heb hem onlangs nog geknipt, anders zou hij nog veel groter zijn.”

MECHANISMEN

De struik ziet er nogal woest uit. Geen plant waar je je balkonnetje mee opfleurt. We bekijken ook de eenbloemige variant. Die ziet er niet zo gezond uit. Dat geldt overigens voor meer petunia’s in deze onderzoekskas. Ze zijn bleek, smalletjes, of hebben nauwelijks bloemen. Maar ze zijn dan ook niet bedoeld voor op een balkon, maar om de genetische mechanismen achter vorm en kleur te achterhalen.

Met deze petunia’s ontdekten de Amsterdamse onderzoekers een belangrijk principe in de evolutiebiologie: nieuwe bloemen- of plantenvormen (bouwplannen) ontstaan vaak als in één klap het expressiepatroon van een groep genen verandert. Het bouwplan wijzigt als die groep op een ander tijdstip in de ontwikkeling uit zaad naar bloeiende en zaadzettende plant actief wordt. Als de groep genen in een ander deel van de plant tot expressie komt. Zo’n verandering kan al plaatsvinden door één genmutatie, als dat gen een mastergen is en de controle over veel andere genen heeft.

Dat verandert niet alleen de kijk op de evolutie, het is ook leuk nieuws voor kwekers. Als een verandering in het expressiepatroon al kan leiden tot een nieuwe vorm, dan zijn voor alle plantvormen die in de natuur bestaan (aar, tros, struik) geen tientallen of honderden veranderde genen nodig. Ze kunnen vrij plotseling ontstaan en in de evolutie kunnen die vormen vaker dan eens zijn ontstaan. En voor biotechnologen is het opeens makkelijker om plantvormen gericht te veranderen.

Op de VU in Amsterdam hebben Koes en zijn onderzoekers ontdekt dat drie genen cruciaal zijn voor de trosvorm bij de petunia. Deze drie genen werken in de minuscule knopjes of groeipunten aan de plantenstengel waaruit de takjes met bloemen moeten ontstaan.

Die drie genen die de petuniatros regelen zijn mastergenen. Als een meester bepalen ze dat er hier en nu een bloem ontstaat. Er ontstaat alleen een tros als die drie mastergenen op de juiste plaats en op het juiste moment in groeipunten tot expressie komen. Staan ze verkeerd ‘aan’ of ‘uit’, dan kan er een struik of een eenbloemige variant ontstaan.

In een gemoedelijke sfeer, waarbij niemand zich aan het horloge lijkt te storen, leggen Ronald Koes en medewerker Alexandra Rebocho in een werkkamer geduldig uit hoe de eiwitten van de drie bloeminducerende mastergenen met elkaar samenwerken. De zes weken oude baby bij de onderzoekster op schoot blijft lekker slapen, ook wanneer de vader – eveneens werkzaam op het VU-lab – regelmatig komt kijken of de moeder al kan komen lunchen. Het petunia-onderzoek aan de VU blijkt een waar familiebedrijf; de vrouw van Ronald Koes leidt de groep die blauwe petunia’s maakt (zie kader Blauwe rozen).

“Toen we acht jaar geleden met dit onderzoek begonnen”, vertelt Koes, “dacht ik nog dat we nieuwe genen gingen vinden. Maar tros- of aargenen blijken helemaal niet te bestaan. De genen die de trosvorm bepalen behoren tot het handjevol mastergenen dat ook in vrijwel alle andere planten bepaalt wanneer en waar groeipunten bloemen gaan vormen.” Die mastergenen hebben bovendien in alle planten vrijwel dezelfde DNA-volgorde. Ze zijn evolutionair geconserveerd omdat ze zo’n belangrijke rol vervullen in de ontwikkeling van de plant. Begin jaren negentig werd voor het eerst zo’n mastergen gevonden bij de in plantkundig onderzoek veelgebruikte zandraket Arabidopsis: het Leafy-gen.

VROEGBLOEIERS

Met dit Leafy-gen hebben andere onderzoekers nog veel vreemdere planten gemaakt dan de petuniastruik in de kas van de ff U. Door het Leafy-gen uit de zandraket in de ratelpopulier te zetten, ervoor zorgend (met een stukje promotordna) dat dit gen in de hele plant altijd ‘aan’ stond. Zo groeide in 1995 een ratelpopulier op als een eenvoudig onkruidje dat al na zes maanden bloeit. In de natuur bloeit een ratelpopulier pas als twintigjarige boom. Dit plantje vormde geen katjes die ieder uit vele bloempjes bestaan: hij had één wit bloemetje op een steeltje. Het overbrengen en aanzetten van het Leafygen lukte ook in sinaasappelbomen en tabak, waardoor ook hiervan extreme vroegbloeiers ontstonden. In het laboratorium zijn die planten handig omdat onderzoekers dan snel zaad beschikbaar hebben.

Inmiddels zijn meer mastergenen bij planten bekend, waaronder de mastergenen voor wortelvorming en bladvorming. Een zandraket waarin het Cauliflowergen wordt stilgelegd krijgt kleine bloemkoolvormige vertakkingen op de plaats waar bloemen hadden moeten komen. Als het gen niet werkt, ontstaan er daar waar bloemen zouden moeten komen zich eindeloos herhalende stamcelknopjes, net als bij de bloemkool en broccoli. Het genetisch programma voor de bloem is dan half defect.

Nog deze maand zijn er weer twee bizarre planten aan de groeiende reeks toegevoegd. Celbiologen van de Universiteit Utrecht hadden kiemplantjes van de zandraket gemaakt waarvan de wortels groeien op plekken waar normaal bladeren zitten. Dit was hen gelukt door het uitschakelen van één gen, waardoor het programma voor de wortelvorming bovenin het kiemplantje in gang werd gezet, in plaats van onderaan. En genetici uit Gent lieten zien hoe ze van de zandraket, het eenjarige nietige onkruidje, een forse meerjarige struik hadden weten te maken. Dit door slechts twee genen uit te schakelen die de bloeitijd bepalen.

ALF EN DOT

In het algemeen werken mastergenen uit de ene soort ook in iedere andere. Bij de petunia stuitten de Amsterdammers echter op de uitzondering op die regel. Het Leafy-gen dat van de ratelpopulier een vroegbloeiend plantje maakte, deed niets in de petunia. Terwijl iedereen nog dacht dat met het Leafy-gen van elke plant een vroegbloeier was te maken. Het zoeken naar de oorzaak hiervan, heeft uiteindelijk geleid tot de ontrafeling van de drie mastergenen die samen de cyme-trosvorm bepalen. Koes en Rebocho doopten de drie masters Alf, Dot en Evergreen.

Alf en Dot bleken bekenden uit de zandraket, al hebben ze daarin een andere rol. Maar van het Evergreen-gen was nog niet bekend dat het een rol speelt bij de bloemvorming en de bloeiwijze. Het Evergreen-gen, zo bewezen Ronald Koes en Alexandra Rebocho, zorgt in een groeipunt voor uitgroei van de zijtak uit een hoofdtak. Als dat niet gebeurt, ontstaan er geen bloemen en blijft de petunia altijd groen. Vandaar de naam van het gen. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Development Cell en The Plant Cell van september.

Voor Ronald Koes is de vondst van het Evergreen-gen – wel gevonden bij de petunia, niet bij het veelgebruikte labplantje zandraket – reden om te pleiten voor meer modelplanten dan alleen de zandraket. Aan de zandraket werken wereldwijd duizenden genetici; aan de petunia zo’n honderd – Nederland loopt hierin voorop, binnen een traditie van vijftig jaar petunia-onderzoek.

De Universiteit van Amsterdam begon ermee in de jaren zestig, op verzoek van kwekers. Tijdens een bezuinigingsronde in de jaren tachtig van de vorige eeuw dreigde het petunia-onderzoek te verdwijnen. De actie ‘red de petunia’, begonnen door een tuinman en een wetenschapper, betekende uiteindelijk het behoud. Moleculair-genetici van de VU namen het project over. Sinds begin deze eeuw werkt ook een Nijmeegse groep aan de petuniagenetica (zie kader ‘Het ontstaan van bloemen’).

De Amsterdamse onderzoekers vermoeden dat in de evolutie de cyme-trosvorm uit de primitievere voorloper van de aarvorm is ontstaan. In beide gevallen groeien namelijk uit een groeipunt twee uitsteeksels: een hoofdas en een zijas. Bij de cyme-trosvorm groeit er steeds een bloem aan het eind van de nieuwe hoofdas. De zijas neemt de rol van hoofdas daarop over. Er ontstaat een zigzagstructuur die kenmerkend is voor petunia’s. Bij de aar groeien de bloemen steeds uit de zijassen, met een recht blijvende hoofdas.

Het verschil tussen beide vormen ontstaat door de plaats waar de mastergenen voor bloemvorming tot expressie komen: in de hoofdas, of in de zijas van de groeipunt. “Op een of ander moment”, heeft Koes als verklaring, “zijn bij bepaalde planten die genen op een andere plaats tot expressie gaan komen, waardoor er geen aar meer ontstond maar een cyme-tros.”

GROEIPUNT

En zo kan men zich nu ook voorstellen dat er, met diezelfde mastergenen in de evolutie ook schermen zijn ontstaan. Als ze namelijk in een rondje in de groeipunt tot expressie komen, ontstaan daaruit ook takken met bloemen in een rondje. En naarmate zulke mastergenen vaker, of op meer plaatsen tot expressie komen, ontstaan dichtere schermen, aren of cyme-trossen, met meer takjes en bloemen. Veredelaars zoeken er likkebaardend naar: het betekent immers meer vruchten, en meer zaden.

De petunia-onderzoekers gaan nu eerst proberen de genen te vinden die van een enkelvoudige bloem een tros maken. Koes: “Om de hypotheses over vormverandering – zoals het ontstaan van een schermbloem – te bewijzen, proberen we de kleine stapjes in de evolutie na te bootsen.”