In een nieuwe studie gepubliceerd in Nature Genetics , onder leiding van Charles Underwood van het Max Planck Instituut voor Plantenveredelingsonderzoek in Keulen, Duitsland, hebben wetenschappers een systeem opgezet om klonale geslachtscellen in tomatenplanten te genereren en deze gebruikt om de genomen van nakomelingen te ontwerpen.

De bevruchting van een klonaal eitje van de ene ouder door een klonaal sperma van een andere ouder leidde tot planten die de volledige genetische informatie van beide ouders bevatten.

Hybride zaden, die twee verschillende ouderlijnen met specifieke gunstige eigenschappen combineren, zijn populair in de landbouw omdat ze robuuste gewassen opleveren met een hogere productiviteit, en worden al meer dan honderd jaar door boeren gebruikt.

De verhoogde prestaties van hybriden staan ​​algemeen bekend als hybride kracht, of heterosis, en zijn waargenomen bij veel verschillende planten- (en dier)soorten. Het heterosiseffect blijft echter niet langer bestaan ​​in de volgende generaties van deze hybriden vanwege de scheiding van genetische informatie.

Er moeten dus elk jaar nieuwe hybride zaden worden geproduceerd, een arbeidsintensieve en dure onderneming die niet voor elk gewas goed werkt. Dus hoe kunnen de gunstige eigenschappen, gecodeerd in de genen van hybride planten, worden overgedragen naar de volgende generatie?

Doorgaans ondergaat ons genetisch materiaal een herschikking tijdens de meiose – een cruciale celdeling die voorkomt in alle zich seksueel voortplantende organismen. Deze herschikking, als gevolg van willekeurige scheiding van chromosomen en meiotische recombinatie, is belangrijk bij het genereren van nieuwe en gunstige genetische configuraties in natuurlijke populaties en tijdens het fokken.

Als het echter om plantenveredeling gaat, wil je, als je eenmaal een geweldige combinatie hebt, deze behouden en niet verliezen door de genen opnieuw te herschikken. Het hebben van een systeem dat de meiose omzeilt en zou resulteren in geslachtscellen (eicel en sperma) die genetisch identiek zijn aan de ouders, zou verschillende toepassingen kunnen hebben.

In deze studie hebben Underwood en zijn team een ​​systeem opgezet waarin ze de meiose vervangen door mitose, een eenvoudige celdeling, in het populairste groentegewas, de gecultiveerde tomaat. In het zogenaamde MiMe-systeem (Mitose in plaats van Meiose) bootst de celdeling een mitose na, waardoor genetische recombinatie en segregatie wordt omzeild, en worden geslachtscellen geproduceerd die exacte klonen zijn van de ouderplant.

Het concept van het MiMe-systeem is eerder vastgesteld door Raphael Mercier, directeur van het Max Planck Instituut voor Plantenveredelingsonderzoek, in Arabidopsis en rijst. Een baanbrekend aspect van de nieuwe studie is dat de onderzoekers voor het eerst de klonale geslachtscellen hebben gebruikt om nakomelingen te ontwikkelen via een proces dat zij 'polyploïde genoomontwerp' noemen.

Polyploïde genoomontwerp

Normaal gesproken hebben geslachtscellen een gehalveerde chromosomenset (bij mensen worden 46 chromosomen teruggebracht tot 23; bij tomaten worden 24 chromosomen teruggebracht tot 12), terwijl de MiMe-geslachtscellen klonaal zijn en daarom vindt deze halvering van de chromosomenset niet plaats.

Underwood en zijn team voerden kruisingen uit die ervoor zorgden dat het klonale eitje van de ene MiMe-tomatenplant werd bevrucht door een klonaal sperma van een andere MiMe-tomatenplant. De resulterende tomatenplanten bevatten het volledige genetische repertoire van beide ouders en bestaan ​​daardoor uit 48 chromosomen.

Daarom zijn alle gunstige eigenschappen van beide hybride ouders – door het ontwerp – geconsolideerd in één nieuwe tomatenplant. Vanwege de nauwe genetische relatie tussen tomaten en aardappelen is het team rond Underwood van mening dat het in dit onderzoek beschreven systeem eenvoudig kan worden aangepast voor gebruik in de aardappel, het vijfde meest waardevolle gewas ter wereld, en mogelijk ook voor andere gewassoorten.

Met het oog op de stijgende bevolkingsaantallen en klimaatveranderingen is de ontwikkeling van hoogproductieve, duurzame en stabiele rassen van cruciaal belang voor het veiligstellen van de wereldvoedselvoorziening op de lange termijn. Daarom is het van cruciaal belang om planten te kweken die een verhoogde ziekteresistentie en stresstolerantie vertonen. Innovatieve benaderingen van reproductietechnologieën voor planten zijn essentieel.

Innovatieve techniek zaadproductie

Het MiMe-systeem en de toepassing ervan in de polyploïde genoomtechniek zouden een veelbelovende manier kunnen zijn om de hedendaagse agrarische uitdagingen aan te pakken.

"We zijn erg enthousiast over de mogelijkheid om klonale geslachtscellen te gebruiken om polyploïde genoomontwerp uit te voeren. We zijn ervan overtuigd dat dit fokkers in staat zal stellen om op een gecontroleerde manier verdere heterosis – de progressieve heterosis gevonden in polyploïden – te ontginnen", zegt Underwood. P>

"Het MiMe-systeem voor tomaten dat we hebben opgezet, zou in de toekomst ook kunnen worden gebruikt als onderdeel van de productie van klonale zaden (synthetische apomixis). Dit zou de kosten van het produceren van hybride zaden enorm kunnen verlagen", voegt Yazhong Wang toe.

Meer informatie: Yazhong Wang et al, Het benutten van klonale gameten in hybride gewassen om polyploïde genomen te ontwikkelen, Natuurgenetica (2024). DOI:10.1038/s41588-024-01750-6

Journaalinformatie: Natuurgenetica

Aangeboden door Max Planck Society