Wetenschap - 15 februari 1996

Plant en dier laten zich kennen aan genetische streepjescode

Plant en dier laten zich kennen aan genetische streepjescode

DNA-merkertechnologie wordt voor bedrijven aantrekkelijk

Met nieuwe DNA-merkertechnieken kunnen veredelaars binnen enkele dagen planten en dieren screenen op hun eigenschappen. Bedrijven kunnen hiermee het veredelingstraject verkorten. Dat maakt het commercieel aantrekkelijker te kruisen met wilde verwanten en oude rassen en te veredelen op eigenschappen waarbij meerdere genen zijn betrokken. Op dit moment wordt de techniek alleen nog toegepast voor zaadcontrole en voor het bepalen van de genetische verwantschap.


De plantenveredeling en de fokkerij staan aan het begin van een nieuwe technologie: de DNA-merkertechnologie. De bedrijven zuiveren DNA uit cellen, doen een aantal chemische standaardreacties en analyseren de uitkomsten met software-pakketten en genetische kaarten. Zo kunnen ze soms al binnen twee dagen inzicht krijgen in te verwachten eigenschappen zoals virus-resistentie, kleur, bloeitijd, melkgift of groeisnelheid. Eigenschappen die zich zonder DNA-merkertechnologie pas manifesteren nadat veredelaars de planten of dieren maanden tot jaren hebben verzorgd.

De vraag van elke veredelaar is: met welke individuen of populaties kruis ik verder? Nu kiezen veredelaars nog grotendeels in het veld of in het hok: de mooiste bloemen, de koeien die de meeste melk geven. Met de merkertechnologie zullen ze meer beslissingen in het laboratorium en achter de computer nemen. Het aantal veldwerkers in de sector zal afnemen, ten gunste van moleculair biologen en computerdeskundigen.

Merkertechnologie is niet nieuw, maar de afgelopen vijf jaar zijn de technieken flink verbeterd en zijn ze commercieel aantrekkelijk geworden. In Wageningen werken de Landbouwuniversiteit, DLO en het bedrijf Keygene aan merkertechnologie. Keygene lanceerde twee jaar geleden de gevoelige merkertechniek AFLP (zie kader). Het bedrijf commercialiseert de techniek via licenties, contractonderzoek en zogeheten kits, pakketten voor de chemische reacties met het DNA. De universitaire onderzoekers gebruiken de merkertechnieken om genetische eigenschappen te onderzoeken en om genenkaarten te maken.

De DNA-merkertechnologie moet zich natuurlijk nog bewijzen, maar ik ben er wel positief over", zegt prof dr ir P. Stam van de vakgroep Plantenveredeling, waar merkertechnologie en het invullen van genenkaarten belangrijke onderwerpen zijn. Bij zijn inaugurele rede in oktober wees hij erop dat de merkertechnologie voor de plantenveredeling wel eens belangrijker kan worden dan genetische modificatie.

Korrelgrootte

Amerikaanse universitaire onderzoekers gebruikten een van de eerste DNA-merkertechnieken, RFLP, al voor maisveredeling. Ze veredelden uit gebruik geraakte maisrassen op korrelgrootte, een polygene eigenschap waarbij zo'n veertig genen zijn betrokken. Met de DNA-techniek en de genenkaarten bepaalden ze in het laboratorium welke individuen de grootste kans hadden op genen voor dikkere korrels. Zo wisten ze rassen te verkrijgen met dikkere korrels dan die van de beste mais van kampioen-maisveredelaar Pioneer Hybred. En het ging sneller, want dankzij de merkertechniek hoefden ze niet steeds te wachten tot de mais in het veld zijn korrels liet meten.

Waar de eerste zaadbedrijven inmiddels licenties hebben gekocht om DNA-merkertechnieken te gebruiken, zijn de fokbedrijven iets minder ver. Wij kijken met grote belangstelling naar de ontwikkelingen in de plantenveredeling", zegt dr ir J.A.M. van Arendonk, die bij Veefokkerij met zo'n tien onderzoekers werkt aan DNA-merkertechnologie.

De vakgroep heeft onlangs voor een fokbedrijf de genetische verwantschap van twee kippenpopulaties bepaald. Genetische afstanden bepalen is de meest simpele toepassing van moleculaire merkertechnologie", verklaart Van Arendonk. Als twee populaties qua bandenpatroon bijna hetzelfde zijn, weet het bedrijf dat het niet met beide populaties verder hoeft te veredelen, omdat ze hetzelfde resultaat zullen geven."

Onderzoeker dr P. Vos van Keygene acht de door zijn bedrijf ontworpen techniek AFLP een flinke doorbraak in de merkertechnologie. De chemische reacties gaan sneller en de merkers zijn gevoeliger. Maar de techniek moet zich in de praktijk nog bewijzen, erkent hij. Bedrijven zullen merkertechnologie pas op grote schaal toepassen als de kostprijs verder daalt, verwacht hij. Daar werkt Keygene hard aan. Het bedrijf brengt met het Amerikaanse Perking Elmer (de uitvinder van de DNA-vermeerderingstechniek PCR) en het Amerikaanse Life Technologies binnenkort ook AFLP-kits op de markt voor dieren en micro-organismen.

Knippen

De reacties van enzymen met het DNA zijn een belangrijk onderdeel van de merkertechnologie. Uit de enorme kluwen DNA knippen en vermeerderen de enzymen een beperkt aantal kleine stukjes. Het vergelijken van deze DNA-stukjes met die van een andere plant of dier is als het nemen van steekproeven. Hoe meer twee individuen verschillen, hoe meer variatie ook in de DNA-stukjes.

De variatie wordt zichtbaar doordat de zogeheten restrictie-enzymen slechts knippen op bepaalde plaatsen. Waar het DNA afwijkt, knippen ze op andere plaatsen en zijn de uitgeknipte stukjes groter, kleiner of ontbreken ze.

De uitgeknipte DNA-stukjes zet de onderzoeker op een zogenaamde gelkolom. Daar geldt: hoe korter en lichter het stukje DNA, hoe sneller het over de kolom beweegt en hoe lager in de kolom het een streepje geeft. Zo krijgt iedere plant of dier zijn eigen vingerafdruk, zijn eigen verzameling DNA-stukjes van bepaalde lengtes - streepjes op een doorzichtig vel. Een soort streepjescode.

De DNA-merkertechnologie kreeg in 1987 een flinke stimulans met de DNA-vermeerderingstechniek PCR. In 1989 richtten Nederlandse zaadbedrijven en de Rabobank Keygene op. Alle andere biotechnologie-bedrijven richtten zich op genetische modificatie", vertelt Vos. Dat wilden wij niet. Er zijn meer mogelijkheden om de genenpool uit te breiden. Planten zijn enorm rijk aan eigenschappen. Als je maar goed genoeg zoekt, kun je genen ook vinden onder planten waarmee het gewas kruisbaar is."

Hoogleraar Stam acht kruising met exoten - wilde verwanten en oude rassen - een van de belangrijkste mogelijkheden die de merkertechnologie biedt. Nu veredelen kwekers vrijwel alleen met het handjevol moderne rassen dat zijn geschiktheid al heeft bewezen. Ze gebruiken slechts een paar procent van de genetische rijkdom.

Je krijgt de indruk dat kwekers in een hele kleine genenpool roeren", verduidelijkt de hoogleraar. Dat is ook wel begrijpelijk. Het kost veel tijd om alle niet-gewenste eigenschappen van exoten uit te kruisen." Met de DNA-merkertechnologie wordt het kruisen met exoten commercieel aantrekkelijk omdat veredelen sneller gaat, hoopt Stam. Zo kan de genenpool worden uitgebreid, en daarmee de veredelingsmogelijkheden.

Alleen aan de streepjescodes zijn planten en dieren niet te kennen. De codes hebben slechts betekenis wanneer er genetische kaarten zijn waarop zowel de variabele stukjes DNA zijn ingetekend als de fenotypische eigenschappen zoals bloemkleur en melkgift.

Al jaren tekenen veredelaars eigenschappen op chromosoomkaarten van planten en dieren. En voorlopig is het karwei nog niet af. Het is een enorm kostbare en tijdintensieve operatie. Om te bepalen hoe ver de genen voor bijvoorbeeld virusresistentie en bloemkleur op een chromosoom van elkaar af liggen, zijn soms duizenden nakomelingen nodig.

Basenvolgorde

Tien jaar geleden zaten er nog grote witte plekken in de kaarten. Hele stukken van chromosomen bevatten geen enkele merker. Dat wil zeggen dat op zo'n stuk DNA geen bekend gen zat voor een eigenschap die bijvoorbeeld bij het ene individu leidt tot blauwe en bij het andere tot rode bloemen: geen stukje DNA met een bekende, variabele basenvolgorde.

Met de DNA-merkertechnologie zijn de kaarten verrijkt met tientallen moleculaire merkers. En daarin zit nu de essentie van de techniek. Heeft een aardappel X volgens zijn streepjescode een stukje DNA genaamd Y1 dat op de kaart dicht bij een gen ligt voor virusresistentie Z, dan is de kans groot dat deze aardappel resistent is voor virus Z.

Het wordt nu ook aantrekkelijker te veredelen op eigenschappen die worden gestuurd door meerdere genen", legt Stam uit. Je kruist bijvoorbeeld vroegbloeiers met laatbloeiers. Dat bloeitijdstip is een eigenschap waar bij de modelplant Arabidopsis twaalf genen voor zijn gevonden. De mop is dat je gaat kijken welke moleculaire bandenpatronen kenmerkend zijn voor de vroeg- en welke voor de laatbloeiers. Dan kijk je bij welke moleculaire merkers de genen voor vroege bloei in de buurt liggen. Als je dat weet kun je gaan stapelen tot een plant alle twaalf genen heeft."

Veredelen op zulke polygene eigenschappen gebeurt nu nog op basis van het uiterlijk. Dat is minder efficient, want aan de buitenkant van een half-vroege bloeier is niet te zien welke genen hij mist om geheel vroeg-bloeiend te zijn. Met de DNA-merkertechnologie is dit deels te zien aan het bandenpatroon, mits de genen voor vroege bloei in de kaart zijn ingetekend.

Rekenwerk

Bedrijven zullen de DNA-merkertechnologie zeker gebruiken voor controle op genetisch materiaal. Zaadgigant Ciba Geigy liet in zijn voorlichtingsblaadje van herfst 1995 al weten illegaal gebruik van gepatenteerde genen te gaan controleren. Zo valt ook te verwachten dat merkertechnologie wordt ingezet voor kwaliteitscontrole op zaad, om te voorkomen dat handelaren goed zaad mengen met slecht, goedkoop zaad.

Of bedrijven dankzij DNA-merkertechnologie daadwerkelijk meer gaan kruisen met wilde verwanten en oude rassen, moet nog blijken. Ook moet nog blijken of bedrijven nu meer gaan veredelen op eigenschappen die worden gestuurd door meerdere genen. Stam is er optimistisch over. We mogen verwachten dat de landbouw over pakweg vijftien jaar dichter tegen de ecologische landbouw zit dan nu, dat hij minder kunstmest gebruikt en diverser is. De markt vraagt dan stabielere rassen, waarvoor uitbreiding van de genenpool nodig is."

Belangrijk voor deze toepassing is in hoeverre de onderzoekers erin slagen de genetische kaarten in te vullen. Momenteel is het intekenen van de vele nieuwe moleculaire merkers een bottleneck. Stam: Als ik duizend merkers op een rijtje moet zetten, zijn er een half miljoen combinaties mogelijk waartussen ik de afstand moet bepalen. Dit uitzoeken vraagt heel wat rekenwerk. Daarnaast vraagt het bepalen van de genetische afstanden van fenotypische eigenschappen nog eens honderden veldproeven. Wel lijkt het erop dat eigenschappen bij verschillende soorten op overeenkomstige plaatsen op de chromosomen liggen. Zo liggen resistentie-genen waarschijnlijk op een beperkt aantal plaatsen. Dat maakt het invullen van genenkaarten weer makkelijker."

Re:ageer