Tomaten op maat maken met knippen en plakken van DNA

Gentechnologie

Tomaten die eerder of later rijpen, vruchten die los aan de takken zitten of juist niet. Met een nieuwe veredelingstechniek is een eigenschap van een tomatenras al binnen een half jaar te veranderen. Het wachten is op toestemming van de EU.

Verschillende bloeiwijzen van gemodificeerde tomaten. Michiel Lammers/Wageningen University & Research

‘Kijk”, zegt plantonderzoeker Ruud de Maagd bij een foto met daarop een rode, oranje en gele tomaat. „Door veranderingen aan te brengen in één gen dat de rijping reguleert, kregen we tomaten in drie kleuren. Hoe rijper namelijk de tomaat, hoe meer rood hij bevat.”

We zijn op bezoek bij Wageningen University & Research. De Maagd onderzoekt daar een nieuwe, veelbelovende techniek voor veredeling, crispr-cas geheten. Met crispr-cas kan een laboratorium binnen een half jaar een eigenschap in een tomatenras hebben veranderd, bijvoorbeeld andere kleur, een ziekteresistentie of een vrucht die langer houdbaar is.

Een half jaar is heel kort. Het veranderen van een nieuwe eigenschap op de gebruikelijke manier, via kruisen en selecteren, duurt bij tomaat drie tot vijf jaar.

Crispr valt onder de EU-regeling voor genetisch gemodificeerde gewassen

Hiervoor wordt een wilde tomaat of een oud ras met de gewenste eigenschap gekruist met een tomaat die supermarkten of ketchupfabrieken al hebben, bijvoorbeeld een Tommy of Prunus. Vervolgens moet de veredelaar de kruisingsproducten nog zes tot tien keer met de Tommy’s of Prunussen terugkruisen, om de ongewenste eigenschappen van dat oude ras er weer uit te krijgen. En tenslotte kost het een zaadbedrijf nog 2 à 5 jaar om voldoende tomatenzaad uit dat nieuwe ras te kweken voor de verkoop.

Behalve dat de veredeling met Crispr-cas sneller gaat, kunnen biotechnologen er ook echt nieuwe tomaten mee krijgen, met nog niet eerder verkregen combinaties van eigenschappen. Dit is nu voor het eerst bewezen in een publicatie in Cell van 18 mei. Onderzoekers van Cold Spring Harbor Laboratory in New York maakten gericht allerlei tomatenplanten met verschillende combinaties van twee eigenschappen: planten met meer of minder vertakte trossen, en planten waarbij de vruchten gemakkelijk of minder makkelijk van de steel afvallen. Deze twee eigenschappen zijn genetisch met elkaar verbonden: als je het gen voor vertakkingen verandert, beïnvloedt je ook de losheid waarmee de vrucht aan de steel zit.

Vertakte trossen

Door gericht met Crispr-cas die twee genen in verschillende combinaties te veranderen, kregen ze bijvoorbeeld planten met sterk vertakte trossen en een loshangende vrucht die er makkelijk afvalt. Die willen telers niet, want de vele bloemen hieraan trekken zoveel energie weg dat de vruchten klein blijven. En die los hangende vruchten zijn ook vervelend. Die vallen af en gaan rotten, voordat de plukkers of oogstmachines – of straks de robots – langs zijn geweest. De Amerikaanse biotechnologen kregen ook planten met maar heel weinig vertakkingen. Ook die willen telers niet, want die leveren weer te weinig vruchten op. Maar gelukkig wisten de biotechnologen ook tomatenplanten te maken met niet te veel en ook niet te weinig vertakkingen, en met tomaten die niet te snel van de plant afvallen.

Met Crispr kunnen biotechnologen dus ook sturen hoevéél van een eigenschap de nieuwe tomaat gaat krijgen, bijvoorbeeld hoe rood de tomaat wordt, of hoeveel extra trossen hij gaat krijgen. Dat kan door in plaats van twee kopieën van een gen er maar eentje te veranderen. Dat is gedaan bij de oranje (één kopie) en gele tomaten (twee kopieën) op bovengenoemde foto. En dat is ook gedaan bij de niet te veel vertakte tomatenplanten van de Amerikanen.

Het veranderen van eigenschappen kan zelfs nog subtieler, vertelt De Maagd. Biotechnologen kunnen veranderingen aanbrengen in zogeheten promotorregio’s, regio’s in het DNA die genen harder of juist zachter laten werken, met als gevolg meer of minder van een bepaald eiwit. Met Crispr kun je dan activerende stukjes DNA of juist remmende stukjes in zo’n promotorregio uit gaan schakelen. Stel je schakelt één, twee of drie activerende DNA-stukjes voor een rijpingsgen uit, dan verminder je de rode kleur met bijvoorbeeld tien, twintig of dertig procent.

Twaalf mastergenen

De Maagd maakt tomaten met vruchten die eerder of later rijpen, helemaal niet rijpen, of korter of langer rijpen. De twaalf mastergenen die hierbij zijn betrokken beïnvloeden onder andere de kleur, zachtheid, aroma en suikergehalte. Mastergenen zijn genen die regulatie-eiwitten maken welke andere genen aan het werk zetten. Daarbij beïnvloeden bijvoorbeeld mastergenen A, D, F en H vroegrijpheid, aroma en het suikergehalte. Genen B, D, F en G beïnvloeden vroegrijpheid maar ook de zachtheid en de kleur. En zo zijn de Wageningers nu een heel schema aan het opstellen.

De Maagd: „Wij willen de kluwen uit elkaar trekken van elkaar beïnvloedende genen en de eigenschappen die de verschillende combinaties genen veroorzaken. Dan weet je beter welke genen je moet veranderen om bepaalde eigenschappen te krijgen. Door ook nog de remmende of activerende gebieden in het promoter-DNA te veranderen, kun je nog preciezer het suikergehalte, aroma, houdbaarheid of kleur sturen.”

Links: onveranderde tomaat; midden: 1 kopie gemuteerd; rechts/em>: 2 kopieën gemuteerd. Rufang Wang/Wageningen University & Research

Tot nog toe dus alleen maar voordelen, als het om crispr-cas gaat. Toch duurt het waarschijnlijk nog wel een paar jaar voordat een Europees bedrijf met een Crispr-ras op de markt komt, als het al zover komt. Probleem voor de zaadsector is namelijk dat Crispr onder de gmo-regeling valt (EU-regeling voor genetisch gemodificeerde gewassen). Het betekent dat er uitgebreide veldproeven nodig zijn voor een crispr-ras verbouwd mag worden. Toestemming krijgen voor vermarkting van gmo-rassen is dermate duur en tijdrovend dat bedrijven daar geen zin in hebben. Een dossier voor markttoelating loopt al snel in de miljoenen euro’s en het jawoord kan wel tien jaar op zich laten wachten – zo’n Crispr-ras is dan allang weer verouderd.

Over die gmo-regeling is daarom veel discussie. De regeling, uit 1994, is geschreven voor rassen met soortvreemd DNA erin, bijvoorbeeld mais met daarin een bacteriegen tegen een insect, of rijst met een maisgen tegen schimmel. Daar moesten goede veiligheidsstudies voor worden gedaan. Intussen hebben laboratoria echter een tiental veredelingstechnieken ontwikkeld om gericht plantaardig en dierlijk DNA te veranderen zonder soortvreemd DNA, zoals nu ook deze techniek crispr-cas.

Bij Crispr-rassen is wel een stukje synthetisch DNA in het proces gebruikt. Namelijk het DNA dat codeert voor het DNA-schaartje Cas9, en voor de zogenoemde RNA-gids die het schaartje naar de juiste DNA-bouwsteen leidt voor een verandering. Maar tegelijkertijd is dit synthetisch DNA-stukje in het eindproduct niet meer aanwezig, want de onderzoekers kruisen het er in de eerste generatie weer uit. Een paar commissies en juristen, die werkten in opdracht van bedrijfsleven en landbouwministeries, hebben al geconcludeerd dat Crispr daarom niet onder de gmo-regeling zou moeten vallen.

Het wachten is op een uitspraak van het Europese Hof van Justitie in Luxemburg. Op initiatief van acht Duitse NGO’s is daar een proces aangespannen door het wereldwijd opererende milieu-advocatenkantoor ClienthEarth. Deze NGO’s en hun advocaten vinden dat Crispr-rassen gmo’s moeten blijven, onder andere omdat er geen risico’s met deze nieuwe veredelingstechniek moeten worden genomen. Na de uitspraak van het Hof, in de loop van volgend jaar, moet de EU een beslissing nemen.

Intussen hebben de eerste laboratoria alweer technieken ontwikkeld om planten wel te veranderen met Crispr, maar zonder daar eerst synthetisch DNA voor in te brengen. De Maagd zou graag Crispr-planten maken door het eiwitschaartje Cas9 en de RNA-gids rechtstreeks in de cel te brengen, nadat eerst het membraan doorlaatbaar is gemaakt met een alcohol. Dan is helemaal geen synthetisch DNA meer nodig.

Maar eigenlijk snapt De Maagd niet wat er nu tegen vrij gebruik van Crispr-Cas kan zijn. „Neem twee willekeurige tomatenvariëteiten uit de supermarkten. Op een totaal van een kleine miljard DNA-bouwstenen, verschillen deze cultuurplanten in een half tot vier miljoen bouwstenen. Met Crispr veranderen we straks hoogstens enkele honderden of duizenden DNA-bouwstenen, een fractie van het totale genoom.”

Met Crispr kun je van een goed verkopende tomaat immers gemakkelijk allerlei eigenschappen veranderen. Kruisen met boerenrassen en wilde varianten is dan niet meer nodig, waardoor ook de belangstelling hiervoor kan verdwijnen en er onbedoeld genetische variatie verloren gaat. Over vijftig jaar zijn er dan misschien wel nog maar enkele tientallen ‘supertomaten’ van een paar grote bedrijven op de markt. Ook De Maagd zou dit een onwenselijke ontwikkeling vinden: veredelaars en biotechnologen moeten in ieder geval toegang houden tot voldoende oude rassen en wilde verwanten. Hiervandaan moet immers de kennis komen over nieuwe genen en hun eigenschappen. Deze toegang verbetert volgens hem echter niet als crispr-cas onder de gmo-regeling blijft vallen.

Als er daadwerkelijk crispr-rassen op de markt gaan komen (in de VS is al een eerste crispr-mais toegelaten als niet-gmo), kunnen afnemers straks tomaten op maat gaan bestellen: zestig procent rood, tien zijtakken, twee weken rijptijd, vruchten met zeventig procent hardheid, enzovoort.

Niet iedereen vindt het een fijne gedachte dat de mens de groei van planten zo volledig controleert. De Maagd erkent de vergaande controle op de plantengroei, maar ziet in crispr-rassen geen wezenlijk verschil met de huidige, moderne tomatenrassen. „Er zit nu ook al heel veel wetenschap in een cultuurtomaat. Crispr is dan maar een klein stapje verder in die controle.”