De code van ons brood is gekraakt

Genoomonderzoek

Broodtarwe is een van de belangrijkste voedingsgewassen. Met het kraken van de genetische code ervan gaat de landbouw een nieuwe fase in.

Afgebeeld zijn de aren en zaden van wilde voorouders van de moderne tarwesoorten en de gecultiveerde tarwesoorten. De foto’s staan in de Virtueller Sortengarten Getreide Foto’s Susanne Stamp, Ernst Merz, ETH Zürich.

Na 13 jaar van monnikenwerk is het complexe genoom van broodtarwe in kaart gebracht. Het belooft een gerichtere en efficiëntere veredeling van ’s werelds meest verbouwde gewas, dat het basisvoedsel is van eenderde van alle mensen op aarde. Verhoging van de oogstopbrengst wordt door velen als noodzaak gezien om een in omvang en welvaart groeiende wereldbevolking te kunnen blijven voeden.

„We hebben nu als het ware een Google Maps van tarwe”, zegt biochemicus Rudi Appels van de Murdoch University in Perth. Appels (die op zijn achtste met zijn ouders vanuit Nederland naar Australië emigreerde) was een van de coördinatoren van de genoom-analyse, die door een internationaal consortium is uitgevoerd. Appels: „Op basis van deze kaart kun je in andere tarwe-rassen makkelijker gewenste genen opsporen.”

„Dit is een revolutie”, zegt Simon Griffiths, hoofd gewasgenetica aan het John Innes Centre in Norwich. „En ik ben normaal niet iemand die snel overdrijft.”

Hein de Jong, tarweveredelaar bij het Franse bedrijf Limagrain, is gematigder. „Het is belangrijk dat deze genoomanalyse is gedaan. Maar er was al veel bekend over de genetica van tarwe.”

De resultaten zijn simultaan gepubliceerd in een reeks artikelen in drie tijdschriften; Science, Science Advances en Genome Biology. Het genoom van broodtarwe (Triticum aestivum) is vijf keer zo groot als dat van de mens. Het is zo complex omdat het een samensmelting is van drie grassoorten. Het gewas heeft zijn chromosomen (7 stuks) niet in het normale tweevoud, maar in zesvoud (42 dus). Bovendien bestaat het tarwegenoom, dat is opgebouwd uit ruim 15 miljard basen (de genetische letters A, T, C en G) voor 85 procent uit eindeloze herhalingen. Dit zijn stukken DNA waarbij een bepaalde sequentie (tientallen tot honderden basen lang) heel vaak achter elkaar voorkomt, en in het hele genoom tien- tot honderdduizenden kopieën heeft.

Deze combinatie – chromosomen in zesvoud, en veel herhaalsequenties – maakt het voor genetici erg lastig om stukken DNA in precies de goede volgorde, op de juiste plek, tot een compleet genoom aan elkaar te passen. Dat het nu toch is gelukt komt volgens Appels door het voortschrijden van de technologie. In 2004 ontwikkelden Tsjechische wetenschappers een techniek om chromosomen te selecteren. Dat maakte het mogelijk de DNA-volgorde van één en hetzelfde chromosoom, of delen daarvan, te bepalen. „Het werk werd daarna verdeeld”, zegt Appels aan de telefoon. „De Japanners deden chromosoom 16, de Duitsers 6, de Russen een stuk van 5, ik deed een stuk van 7.”

Doorbraak met geheim algoritme

Drie jaar geleden, zegt Appels, was er een doorbraak toen een Israëlisch bedrijf, NRGene, een nieuw algoritme ontwikkelde om stukken DNA op de juiste volgorde aan elkaar te leggen. „Het lijkt magie. We weten nog steeds niet precies hoe dat algoritme werkt – het is bedrijfsgeheim – maar het heeft ons werk wel versneld.”

Toen het consortium zijn tarwe-kartering begon, in 2005, werd het als een schier onmogelijke opgave gezien. „Maar ik kon het niet accepteren dat er van rijst en maïs wel een genoom lag, en van tarwe niet”, zegt Appels.

Vier jaar geleden publiceerde Science er ook al een reeks artikelen over, onder andere een eerste grove versie van het tarwe-genoom. In 2011 is een nieuw initiatief gestart (zie www.10wheatgenomes.com) om van allerlei tarwe-rassen de genetische variatie in kaart te brengen. Ook dat moet veredeling efficiënter maken.

Het ras waarvan nu het genoom in kaart is gebracht – Chinese Spring – wordt in de praktijk weinig toegepast. Het dient vooral als model. „Van daaruit kun je interessante genen in andere rassen, en wilde tarwesoorten opsporen”, zegt veredelaar De Jong van Limagrain. Die genen kun je dan in bestaande rassen inkruisen. Het bedrijf richt zich volgens De Jong vooral op genen die de opbrengst verhogen, en die de plant weerbaarder maken tegen plagen, zoals gele roest en de schimmel Fusarium.

Lees ook: Brood is ouder dan de landbouw

Hoewel nieuwe rassen op proefvelden, onder ideale omstandigheden, hogere opbrengsten geven, komt dat er in de praktijk niet altijd uit. In Europa stagneert de opbrengst al zeker tien jaar – hoewel die met circa 8 à 9 ton per hectare tot de hoogste ter wereld behoort. Oorzaken worden gezocht in onder meer klimaatverandering (meer hitte en droogte) en een afnemend gebruik van kunstmest. In een voorlichtingsfolder wijst Limagrain ook op schaalvergroting. Vroeger kende een boer elk perceeltje op zijn duim. Grotere percelen zijn moeilijker te monitoren.

De Britse geneticus Griffiths verwacht dat vooral de landen rond de Zwarte Zee hun tarweproductie zullen verhogen. „De grond daar is erg vruchtbaar.” Appels noemt ook Argentinië. In Australië verwacht hij geen grote sprong. „We zitten nu gemiddeld op zo’n 2 ton per hectare. Onze boeren irrigeren niet, ze zijn afhankelijk van de regen. Het is een harde omgeving.”

    • Marcel aan de Brugh