Matchmaking in de plantenwereld

“Mannelijke steriliteit is bij de veredeling van hybride zaden erg gewenst omdat het daar juist zaak is om zeer gecontroleerd en voorspelbaar twee plantlijnen te kruisen. En dat is niet zo evident bij zelfbestuivers”, zegt doctoraatsstudente Silvia Bruznican. De techniek die zij toepast is bovendien goedkoper, sneller of performanter dan bestaande technieken om bestuiving te controleren.

Óf de fusieplant effectief mannelijk steriel is en óf die steriliteit stabiel is in alle omstandigheden, moet verder onderzocht worden. Maar dát de fusietechniek met succes is toegepast en het protocol op punt staat, is vanuit wetenschappelijk oogpunt een belangrijke stap vooruit.

VIDEO

Een hogere opbrengst of verbeterde plantenkenmerken, dat zijn de doelen van plantenveredeling. Eén manier om dat te bereiken is door inteeltlijnen te creëren (door herhaalde rondes van zelfbestuiving) met de gewenste kenmerken, en die inteeltlijnen vervolgens met elkaar te kruisen. Uit die kruising ontstaan identieke nakomelingen met de gewenste, voorspelbare eigenschappen – voor kwekers en veredelaars de perfecte match tussen moeder- en vaderlijn. Voor selder zijn dat bijvoorbeeld planten die uniform of ziekteresistent zijn. Deze nakomelingen heten F1-hybriden en het is hún zaad dat veredelaars verkopen aan telers.

Tijdens het maken van de inteeltlijnen (de moeders en vaders van de F1-hybriden) was zelfbestuiving noodzakelijk. Maar eens je twee inteeltlijnen met elkaar wil kruisen is de kans op zelfbestuiving een probleem. Want een inteeltlijn die zichzelf bestuift… maakt een kopie van zichzelf. Dit kan vermeden worden door één van de twee ouderlijnen mannelijk steriel gemaakt. Dat zou in principe kunnen door manueel de meeldraden af te knippen, maar economisch haalbaar is dat niet. Daarom zoeken veredelaars naar andere technieken, zoals cytoplasmatisch mannelijke sterilisatie (CMS). Daarbij heeft een ouderplant een genetisch defect in het cytoplasma-DNA (het DNA in het plasma rond de celkern), wat de ontwikkeling van normaal stuifmeel onmogelijk maakt.

Jammer genoeg duurt het lang om via kruising CMS lijnen te creëren. Een alternatief voor CMS is genetisch mannelijke sterilisatie (GMS), waarbij ingegrepen wordt in het kern-DNA. Maar die techniek is duurder omdat GMS-lijnen moeilijk in stand te houden zijn.

Ontwikkeling van nieuwe, stabiele CMS-types is dus heel gewild in de veredeling. Een optie daarvoor is alloplasmatische CMS. Daarbij wordt genetisch materiaal van de ene soort gecombineerd met genetisch materiaal van de andere. Concreet wordt de celkern van de ‘acceptor’ gemixt met het cytoplasma van de ‘donor’. Dat kan via asymmetrische protoplastfusie, de techniek die ILVO-UGent onderzoekster Silvia Bruznican ontwikkelde voor selder.

Bruznican is erin geslaagd protoplasten (cellen zonder celwand) te creëren door de celwanden chemisch te pellen met enzymen. Daarna kon ze het kern-DNA van wortelcellen (donor) uitschakelen of ‘fragmenteren’ zonder het cytoplasma aan te tasten via UV-straling. Omgekeerd kon ze het cytoplasma van seldercellen (acceptor) inactiveren zonder het kern-DNA te beschadigen, door behandeling met de chemische stof IOA (iodoacetamide). Vervolgens kon ze het kern-DNA van de seldercellen via chemische en elektrische stimulatie (polyethyleenglycol en korte elektrische pulsen) laten fuseren met het cytoplasma van de wortelcellen, waardoor asymmetrische protoplasten ontstonden: cellen met de kern van selder en het cytoplasma van wortel. Tot slot heeft ze een manier gevonden om de celwand van deze gefuseerde cellen te laten herstellen en de cellen opnieuw te laten uitgroeien tot planten (‘regeneratie’).

Uit de testen van Bruznican bleek dat de regeneratie een succes was bij selder (witte, groene en knolselder). Belangrijk hierbij was de keuze van het uitgangsmateriaal; niet alle types protoplasten kunnen uitgroeien tot volledige planten. De eerste scheuten werden gevormd 8 tot 10 weken na de fusie en 8 maanden na de start van de cultuur werden de bewortelde planten uit de labo-omgeving gehaald en met succes uitgeplant. Bij prei (het ander deel van het doctoraatsonderzoek) was de regeneratie van protoplasten niet succesvol.

Bruznican concentreerde zich bij de celfusie-experimenten daarom op selder. Daaruit bleek dat celfusie met wortel effectief mogelijk is, al is het succes ervan afhankelijk van verschillende parameters. Omdat geslaagde fusieproducten morfologisch meestal identiek zijn aan de acceptor en daardoor moeilijk te onderscheiden zijn, ontwikkelde Bruznican ook cytoplasmatische merkers. Die laten toe om na te gaan welk DNA precies werd uitgewisseld, zodat interessante fusieproducten geïdentificeerd kunnen worden om verder te gebruiken in veredeling.

Het resultaat van dit doctoraatsonderzoek is dat het protocol voor protoplastfusie in selder op punt staat. Een belangrijke stap vooruit voor de selderveredeling. Silvia Bruznican: “Het potentieel van deze techniek voor de veredeling en de biotechnologie is groot, omdat er unieke genotypen mee gecreëerd kunnen worden.”

De mannelijke steriliteit van de fusieplanten (selder met wortel) kon nog niet worden getest. Wel werden de geregenereerde planten uit selderprotoplasten (die niet gefusioneerd zijn) gescreend op kenmerken als bloemmorfologie, planthoogte en ook mannelijke vruchtbaarheid. Binnen deze kenmerken werd een grote variatie vastgesteld, wat interessant kan zijn voor veredelaars. Ook daarom betekent dit onderzoek een belangrijke wetenschappelijke stap vooruit voor de selderveredeling.

Nu het protocol op punt staat kan de techniek snel geïntroduceerd en breed toegepast worden, ook op andere variëteiten. Daarenboven is deze nieuwe techniek gemakkelijker en efficiënter dan het verwijderen van meeldraden, sneller dan het maken van kruisingen en goedkoper dan GMS, de alternatieve technieken om planten mannelijk steriel te maken. Dat doet dromen van performantere, goedkopere en snellere veredeling van F1-hybride zaden voor telers.