Revolutie in de plantengenetica

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 de plant. Deze aanpassingen hebben geen effect op de DNA volgorde van de genen. Maar het onderzoek laat zien dat ze zijn wel vele generaties kunnen worden doorgegeven. Het lijkt erop dat een herziening van de leerboeken van de genetica nodig is.

We hebben op school 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 gemuteerd (een A die door een C is vervangen, bijvoorbeeld), kan een gen al niet meer of niet goed werken.

Maar in een artikel dat donderdag 6 februari is verschenen bij Science Express , dat zeer nieuwswaardige artikelen van het tijdschrift Science online publiceert, kondigen Frank Johannes en zijn collega’s een revolutie in het denken over erfelijkheid aan – in ieder geval voor de plantenwereld. Zij laten zien dat planten met een identieke DNA volgorde toch kunnen verschillen in erfelijke eigenschappen als bloeitijd of de structuur van de plant.

Johannes en zijn team richten zich op epigenetische aanpassingen. Het is al lang bekend dat die de werking van genen kunnen beïnvloeden. Neem bijvoorbeeld het nucleotide cytosine (de C in de genetische code). Door een proces dat methylatie heet, kan cytosine in methylcytosine worden omgezet. Zo’n methylering is een epigenetische aanpassing die doorgaans de werking van een gen onderdrukt.

Epigenetische aanpassingen vinden op verschillende momenten plaats, bijvoorbeeld tijdens de ontwikkeling of onder invloed van omgevingsinvloeden. ‘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 (nu GBB) 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.

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 wortelstructuur - 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.

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.’

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.’ Het 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.

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. En hoewel het een andere manier van doorgeven van erfelijke informatie is, maakt het niet uit voor de wiskundige modellen die evolutie beschrijven. ‘Die modellen zijn ontwikkeld in de jaren 1950, toen wetenschappers nog nauwelijks idee hadden van de dragers van erfelijke informatie.’

Terwijl docenten druk bezig zijn hun lesboeken Plantengenetica te herschrijven proberen Johannes en zijn team verder in te zoomen op de epigenetische aanpassingen. Een QTL verwijst doorgaans naar een flink stuk DNA dat al snel 500.000 tot 1 miljoen ‘DNA letters’ (ook wel baseparen genoemd) beslaat. ‘We willen preciezer weten waar de aanpassingen zitten. Dat kan ons ook helpen begrijpen hoe die aanpassingen precies hun effect hebben.’