Revolutionaire kijk op erfelijkheid planten

Erfelijke eigenschappen blijken niet alleen vast te liggen in de DNA volgorde. Wetenschappers van het Groningen Bioinformatics Centre (GBiC) hebben, samen met Franse collega’s, aangetoond dat ook zogeheten epigenetische aanpassingen invloed kunnen hebben op eigenschappen als bloeitijd of structuur van planten. Bovendien zijn deze aanpassingen erfelijk, ze kunnen vele generaties lang worden doorgegeven, iets dat wellicht interessant is voor plantenkwekers. Deze resultaten zijn op donderdagavond 6 februari gepubliceerd in Science Express. Het lijkt erop dat een herziening van de leerboeken van de genetica nodig is.

We hebben allemaal geleerd dat het DNA de drager is van erfelijke eigenschappen. Onze genen zijn geschreven in een DNA-code die bestaat uit vier letters, A, T, C en G. Als er maar één letter is veranderd, kan een gen al niet meer of niet goed werken. Maar het is ook al tientallen jaren bekend dat de werking van genen te beïnvloeden is door epigenetische aanpassingen, die worden geïnduceerd door omgevingsfactoren. Een voorbeeld hiervan is dat de nucleotide cytosine (de C in de genetische code) veranderd wordt in methylcytosine. De methylering van een cytosine nucleotide in een gen legt doorgaans de werking daarvan stil.

Erfelijke aanpassingen

‘Epigenetische aanpassingen worden bij zoogdieren in iedere nieuwe generatie doorgaans compleet uitgewist. Maar in planten gebeurt dat veel minder sterk. Het is dus mogelijk dat epigenetische aanpassingen erfelijk zijn in planten: aanpassingen die in de ene generatie plaatsvonden, kunnen doorgegeven worden aan de nakomelingen.’ legt Frank Johannes uit. Hij is als assistant professor verbonden aan het GBIC van de Rijksuniversiteit Groningen en als een van de onderzoeksleiders betrokken bij de Science Express publicatie.

De Franse collega’s van Johannes hebben inteeltstammen van de modelplant Arabidopsis (zandraket) gekweekt, die verschillen in epigenetische aanpassingen maar een zo goed als identieke DNA-volgorde hebben. Ondanks hun identieke DNA verschillen de planten onderling, waarbij de verschillen in opeenvolgende generaties in stand blijven.

Complexe eigenschappen

In het nieuwe onderzoek zijn Johannes en zijn collega’s er in geslaagd om variatie in eigenschappen van de verschillende arabidopsis-inteeltstammen - als bloeitijd en structuur - te koppelen aan bepaalde epigenetische aanpassingen. Daarvoor gebruikten zij een techniek waarmee genetici normaal gesproken onderzoeken welke delen van het DNA betrokken zijn bij de erfelijkheid van dit soort complexe eigenschappen. Zulke delen heten ‘quantitative trait loci’ of QTL’s.

Doorbraak

Johannes: ‘Wij hebben deze techniek toegepast, maar nu niet om delen van het DNA te vinden waarvan de volgorde van de DNA-code anders is, maar om delen die verschillen in epigenetische aanpassing te koppelen aan bepaalde eigenschappen van de plant.’ Het is de eerste keer dat op overtuigende wijze is vastgesteld dat epigenetische aanpassingen verantwoordelijk zijn voor erfelijke eigenschappen. ‘Dat is een echte doorbraak, het verandert de manier waarop we tegen erfelijkheid aan kijken. En het heeft mogelijk grote economische gevolgen.’

Plantenkwekers

Het artikel in Science Express gebaseerd is op een overerving gedurende zeven generaties, maar de onderzoekers hebben inmiddels gegevens die er op wijzen dat epigenetische aanpassingen zeker twintig generaties lang kunnen worden doorgegeven. Johannes: ‘Dit soort stabiele erfelijkheid is van belang voor plantenkwekers. Zij kunnen nu wellicht naast de variatie in de DNA-volgorde ook de epigenetische variatie van commercieel interessante eigenschappen kunnen gebruiken.’

Evolutie

De epigenetische aanpassingen kunnen ook de evolutie beïnvloeden, los van de DNA-volgorde. ‘Ze veroorzaken immers variatie, waar vervolgens weer natuurlijke selectie op kan inwerken’, legt Johannes uit. Op die manier kunnen eigenschappen die uit epigenetische aanpassingen ontstaan de ontwikkeling van een soort beïnvloeden. ‘Ons onderzoek is gedaan met inteeltstammen, maar we hebben al aanwijzingen dat sommige van de epigenetische QTL’s die wij vonden ook in natuurlijke populaties van de plant aanwezig zijn.’ Dat wijst er op dat ze ook buiten het laboratorium belangrijk zijn.

Leerboeken herzien

Johannes wijst er op dat er grote verschillen zijn in epigenetische overerving tussen planten en zoogdieren: ‘We kunnen dus niet zeggen dat vergelijkbare processen ook bij zoogdieren, waaronder de mens, optreden.’ Maar het lijkt wel zeker dat de leerboeken plantengenetica herzien moeten worden.

Meer informatie:

• Dr. Frank Johannes; Groningen Bioinformatics Centre (GBiC), Groningen Biomolecular and Biotechnology Institute (GBB), Rijksuniversiteit Groningen; www.johanneslab.org.
• Artikel in Science Express - de online versie van Science waarin belangrijke artikelen snel gepubliceerd kunnen worden -, 7 februari 2014: Mapping the Epigenetic Basis of Complex Traits