De landbouw staat voor grote uitdagingen - het beperken van opbrengstverliezen tijdens langdurige periodes van hitte en droogte, om er maar één te noemen. Om de voedselproductie op peil te houden, moeten we onze gewassen aanpassen aan de snel veranderende klimaatomstandigheden. Maar conventionele veredelingsprogramma's zijn arbeidsintensief en tijdrovend. Wetenschappers van het VIB-UGent Centrum voor Plantensysteembiologie en ILVO ontwikkelden een snelle methode in maïs om veredelingsprogramma's vooruit te helpen ten voordele van de mens en het milieu.
De geschiedenis van veredelingstechnieken
Al duizenden jaren houdt de mens zich bezig met het domesticeren van fruit en groenten door planten met voordelige eigenschappen te selecteren. Het selecteren van nakomelingen die de gunstige eigenschappen van beide ouders bezitten, resulteerde in superieure gewassen op basis van natuurlijke variatie. Deze aanpak is waardevol voor vele agronomische eigenschappen, en in de loop der jaren konden deze verbeterde eigenschappen worden gecorreleerd aan een bepaalde regio in het plantengenoom.
"Conventionele veredeling heeft een grote bijdrage geleverd aan het aanpassen van gewassen aan hun omgeving, maar begint zijn beperkingen te tonen. Wanneer men complexe eigenschappen zoals gewasopbrengst probeert te verbeteren, zijn de effecten vaak beperkt of onbeduidend, waardoor dit een langzaam proces wordt. Maar de klimaatverandering dwingt ons om met minder middelen meer productieve gewassen te ontwikkelen," zegt Christian Lorenzo (VIB-UGent Centrum voor Plantensysteembiologie).
Bij conventionele veredeling worden rassen met de gewenste eigenschappen in hun genoom gekruist. Eigenschappen die essentieel zijn voor het overleven van planten en gevoelig zijn voor omgevingsstress, zoals groei en opbrengst, worden vaak gecontroleerd door een complex netwerk van genen. Om een significante verbetering van de groei te bereiken, moeten veredelaars vaak meerdere groeistimulerende eigenschappen combineren. Het vinden van de juiste combinaties om onder wisselende veldomstandigheden optimale resultaten te verkrijgen, is tijdrovend. Met moleculaire biologie kunnen agronomische eigenschappen worden gekoppeld aan specifieke genen in plaats van genoomregio's.
Christian: "We hebben nu een pijplijn ontwikkeld waarin CRISPR-gemedieerde genoombewerking van meerdere genen tegelijk wordt gecombineerd met verschillende kruisingsschema's om de belangrijkste genen te identificeren die betrokken zijn bij de verbetering van belangrijke agronomische eigenschappen. Met andere woorden, BREEDIT is een ondersteunend platform voor veredeling met behulp van innovatieve genoombewerkingstechnieken."
Bewerken en BREEDIT
CRISPR-Cas9 is een techniek om het genetisch materiaal van planten met grote precisie te wijzigen. De moleculaire schaar Cas9 wordt door een gidsmolecule - het gRNA - naar een vooraf bepaalde positie in het genoom gebracht, waar vervolgens een kleine genetische wijziging wordt geïnduceerd.
Het BREEDIT-team heeft een strategie ontwikkeld om tot 60 genen te bewerken in alle mogelijke combinaties. De introductie van 12 gRNA's tegelijk in een Cas9-bevattende maïsplant resulteert in multiplex genbewerkte nakomelingen. Het toepassen van een kruisingsschema tussen planten met een verschillend set aan gRNA’s geeft een gevarieerde collectie aan genbewerkte maïs die gescreend kan worden op verbeterde agronomische eigenschappen.
De BREEDIT strategie: 12gRNA's kunnen tegelijk geïntroduceerd worden in een Cas9-bevattende maïsplant (EDITOR). Als resultaat ontstaan multiplex genbewerkte nakomelingen (aangeduid in de figuur als SCRIPT 1-4).
Toepassen van een kruisingsschema op verschillende multiplex genbewerkte planten (SCRIPT 1-4) resulteert in een diverse collectie planten met genetische variatie dat gescreend kan worden op verbeterde agronomische eigenschappen.
"BREEDIT biedt ons een instrument om snel veelbelovende genetische wijzigingen te identificeren om agronomische eigenschappen in gewassen te verbeteren. Vooral voor complexe eigenschappen zoals opbrengst, zal veredeling geassisteerd door genoombewerking steeds belangrijker worden om gelijke tred te houden met de veranderende omgeving," zegt Prof. Dirk Inzé, leider van het BREEDIT project (VIB-UGent Centrum voor Plantensysteembiologie).
De toekomst van veredeling
Door sneller een grote collectie genetisch gewijzigde planten te genereren, kunnen meer genen en combinaties van genen voor interessante agronomische toepassingen op een kortere tijdspanne worden gescreend. Bovendien maakt het wijzigen van meerdere genen tegelijk het mogelijk om redundantie binnen één genfamilie te overwinnen - wanneer het functieverlies van een gen wordt gecompenseerd door een ander gen. Het gericht wijzigen van hele genfamilies zou kunnen leiden tot sterkere effecten op plantengroei en -ontwikkeling, en stelt wetenschappers in staat genetische interactienetwerken op het niveau van genfamilies te onderzoeken
Prof. Ruttink (ILVO): "De BREEDIT pijplijn is echt een aanwinst voor zowel het bevorderen van het fundamentele begrip van complexe moleculaire netwerken die de plantengroei reguleren, als voor het ondersteunen van veredelingsprogramma's in het kader van klimaatbestendige landbouw."
Publicatie
BREEDIT: A multiplex genome editing strategy to improve complex quantitative traits in maize
Lorenzo and Debray, et. al., The Plant Cell, 2022
Financiering
Dit werk werd ondersteund door de European Research Council (ERC) in het kader van het EU Horizon 2020 Research and Innovation Program (H2020/2019-2025) onder beursovereenkomst No 833866-BREEDIT.
