Aardappel genoom onder de loep
Wat we doen om het overeenkomstige genoom van aardappelrassen te ontdekken.
DNA van mensen en gorilla’s is ongeveer 95 procent identiek. Tussen aardappelrassen ligt dat percentage een stuk lager. Dit klinkt als een fun fact voor tijdens een avondje quizzen, maar voor Remco Ursem en Stan Oome is het een uitgangspunt dat een serieuze uitdaging in zich draagt. Remco is programmaleider Bioinformatica bij HZPC, Stan is programmaleider Moleculaire Biologie.
De twee leveren namens HZPC een bijdrage aan een internationaal onderzoek naar de genoomdiversiteit (het Pangenoom) in aardappel. Anders gezegd: welke genen maken een aardappel tot een aardappel? Als je dat weet, kun je concluderen welke genen zorgen voor specifieke eigenschappen die – in veredelde rassen - op alle uithoeken van de aarde tot de beste opbrengsten leiden.
Lastig om te leren kennen
Stan Oome legt op eenvoudige wijze uit hoe dat ingewikkelde probleem in elkaar zit. 'Elk ras heeft een eigen DNA-boek, de genetische code. In het geval van de aardappel zijn het zelfs vier vergelijkbare boeken, want elke ouder geeft twee kopiecodes door. Zo’n boek is onderverdeeld in hoofdstukken, de chromosomen. Een enkele kopie van het totale boek bevat tussen de 40.000 en 50.000 genen.'
Tot zover de overeenkomsten tussen de boeken, namelijk het uiterlijk. De inhoud van de hoofdstukken is ongekend verschillend. 'We kunnen structuren in de genen herkennen, maar daar blijft het zo’n beetje bij’, vertelt Remco Ursem. 'De aardappel is gewoon een heel veelzijdig en apart gewas, met als eindproduct een stuk ondergrondse stengel dat zetmeel opslaat. Die diversiteit zie je terug in de genetische code. Dat maakt de aardappel een lastig gewas om te leren kennen én om te veredelen.’
Kijk maar eens naar de opbrengst per hectare. Die is in de afgelopen decennia niet heel hard vooruitgegaan, terwijl andere gewassen wel een forse groei laten zien. Dat heeft allemaal te maken met het ingewikkelde genoom. Vooral het feit dat aardappelen bij een kruising steeds een nieuwe, unieke mix van vier genetische codes erven, maakt het lastig om exact te ontrafelen welke genen (en combinaties van genen) zorgen voor welke eigenschappen.
'' Wat maakt een aardappel een aardappel? ''
Versimpelde aardappel
En dat is precies waar Pangenoom een oplossing voor moet bieden. Anders gezegd: als je weet welke genen een functie hebben voor het ‘zijn’ van een aardappel, en welke meer vulling, slechte kopie, of een eigenschap waar de plant ook prima zonder kan zijn, dan lukt het misschien om van vier terug te gaan naar twee genetische codes per aardappel. Als dat eenmaal gelukt is, dan is het eenvoudiger om het stuur te houden op welke genetische eigenschappen worden doorgegeven. Dat is veredelen, precies waarin HZPC sterk is.
Maar het kan nog beter, als we een ‘genetisch versimpelde aardappel’ kunnen creëren. Stel dat het lukt om van een aardappel met diploïde cellen (waarin van elk chromosoom twee exemplaren aanwezig zijn) homozygoot te maken (varianten met twee volledig identieke genoom kopieën). Elk aanwezig gen moet dan dus functioneel zijn, want je hebt geen 'reservekopie' meer. Dan gaat de vlag uit, want dat zou namelijk niet alleen het veredelen gemakkelijker en preciezer maken, maar ook de ‘heilige graal’ dichterbij brengen: homozygoot aardappelzaad. Om dat te kunnen, moet de aardappel genetisch helemaal uitgeplozen worden. En omdat dé aardappel niet bestaat, worden in het onderzoek Pangenoom zes rassen onder de loep genomen die erg van elkaar verschillen. Daar waar de genetische overeenkomsten liggen, bevindt zich de basis van wat een aardappel eigenlijk is.
Aardappelzaad komt eraan
Remco: ‘Als we teruggaan van vier naar twee exemplaren van de chromosomen, dan kunnen we de gunstige eigenschappen makkelijker pakken en labelen en daarmee verder veredelen. Nu brengen we rassen op de markt met knollen, wat eigenlijk een soort stekjes zijn. Zaadjes uit kruisingen geven nog een te verscheiden uitkomst, we kunnen het proces genetisch niet goed sturen, juist vanwege het variabele karakter. Elk zaadje is anders omdat soms delen van de kopieën erin tot uiting komen, en soms niet. Dat probleem willen we verhelpen met behulp van dit onderzoek.’
De wereld die dan opengaat, zou een grote stap vooruit zijn. Het werken met zaad heeft onmiskenbare voordelen. Transport is duurzamer en goedkoper, zaad is ziektevrij en veel langer te bewaren. En daarmee komt de aardappel als voedingsgewas in beeld op veel meer plekken op aarde, te beginnen met de moeilijk bereikbare.
Stan: 'Dat zou een grote sprong voorwaarts zijn. We weten al lang dat de aardappel grote voordelen heeft boven andere gewassen, zoals rijst en granen. Zo is er veel minder water per kilo product nodig voor het verbouwen ervan, terwijl de voedingswaarde veel hoger is.'
De twee denken dat het binnen tien jaar gelukt moet zijn om aardappelzaadjes te maken die de wereld overgaan. En dan ook nog zaad van verschillende soorten veredelde rassen, geschikt voor verscheidene omstandigheden. Remco: 'Dán kunnen we nog veel meer impact hebben, dan kunnen we serieus een substantiële bijdrage leveren aan het duurzaam voeden van de wereldbevolking.'
'' Het werken met zaad heeft onmiskenbare voordelen ''
Pangenoom
Het onderzoek naar de overeenkomstige genomen binnen aardappelrassen is uitgevoerd door HZPC, Averis, de universiteit van Wageningen en twee Amerikaanse universiteiten. Het idee is om de genetische code van zes zeer uiteenlopende rassen te bepalen, waarmee de grootste verscheidenheid binnen aardappelen gedekt is. Door deze te vergelijken is een hoop informatie te ontwaren over welke genen essentieel zijn voor een aardappel. HZPC koos daarvoor Spunta, de onderzoekspartners leverden de genetische codes van Avenger, Altus, Colomba, Castle Russet en Atlantic.
Het resultaat is gepubliceerd in maart als een publicatie waar 48 onderzoekers uit 5 verschillende landen aan hebben meegeholpen: Phased, chromosome-scale genome assemblies of tetraploid potato reveal a complex genome, a transcriptome, and predicted proteome landscape underpinning genetic diversity.
Hybride veredeling
Parallel aan het onderzoek naar het pangenoom van de aardappel, werken we bij HZPC al jaren aan een belangrijke aardappelinnovatie: hybride aardappelveredeling. Een diploïde hybride aardappel is een combinatie van twee inteeltrassen die een uniform product opleveren. Ze zien er hetzelfde uit als een traditionele aardappel, maar hebben andere eigenschappen. De aardappelrassen die we straks in handen hebben, kunnen we telen van een knol, maar ook van een zaadje. En dat heeft enorme voordelen, zoals goedkoper en makkelijker transport, vooral naar delen van de wereld die lastig bereikbaar zijn. Een ander voordeel is dat de eigenschappen van het ras sneller gewijzigd kunnen worden, bijvoorbeeld om de aardappel resistent tegen bepaalde ziekten te maken. Naar verwachting zijn de eerste hybride rassen vanaf 2025 beschikbaar voor de markt in sub-Sahara Afrika enAzië.