Wetenschap - 28 april 2010

Jubileum voor de zandraket

Je kunt ’m in Nederland op elke straathoek tegenkomen tussen de trottoirtegels: de zandraket of Arabidopsis thaliana. Dit jaar viert dit ‘onkruid’ zijn zilveren jubileum als modelplant van de plantenwetenschappers. Onderzoek aan dit plantje heeft geleid tot detailkennis van vrijwel alle moleculaire processen in planten.

Plantenfysiologie brengt de karakteristieken van 360 Arabidopsis-varianten uit allerlei delen van de wereld in kaart
 De datum is wat arbitrair, geeft Maarten Koornneef toe. De Wageningse geneticus schreef vorige maand met zijn Amerikaanse collega David Meinke een overzichtsartikel in Plant Journal over de ontwikkeling van Arabidopsis als modelplantje. Dat begon 25 jaar geleden. Koornneef kan het weten, want hij stond mede aan de basis van de opmars van Arabidopsis thaliana.
In 1983 publiceerde hij de eerste genetische kaart van de zandraket, met daarop 76 genen. 'Het kostte veel moeite om het artikel gepubliceerd te krijgen', herinnert hij zich. 'Arabidopsis was niet in, het had als modelplant niet aan de verwachtingen uit de jaren zestig voldaan.'
Maar na een wetenschappelijke congres in 1985 begonnen moleculair biologen in de VS te werken met Arabidopsis en raakten ook toponderzoekers in de genetica geïnteresseerd in het plantje. Vervolgens kwamen er in de VS en de Europese Unie onderzoeksfondsen beschikbaar; The rest is history. Tien jaar geleden werd - voor het eerst van een plant -  het complete genoom van de zandraket gepubliceerd. Naar schatting twaalfduizend plantenonderzoekers doen inmiddels onderzoek aan het plantje. 'We hebben zo'n honderdduizend verschillende mutanten, waarbij steeds één gen is aan- of uitgeschakeld', zegt Koornneef. 'Die kun je gewoon bestellen bij het Stock centre voor nader onderzoek.' Er is kortom geen plantje waar we meer van weten dan van de zandraket.
De Wageningse plantenwetenschappen hebben enorm geprofiteerd, zegt Ton Bisseling, moleculair bioloog en directeur van de onderzoekschool Experimental Plant Sciences (EPS). 'Veertig à vijftig procent van de publicaties van EPS heeft Arabidopsis als onderzoeksobject. Nog eens zo'n dertig procent is gerelateerd aan Arabidopsis - de kennis van Arabidopsis is heel goed te vertalen naar gewassen. Dertig jaar geleden zochten onderzoekers een eigen modelplant bij hun vraagstelling. Men opereerde los van elkaar. Nu is Arabidopsis de verbindende schakel; de disciplines passen zich aan aan het modelsysteem.'
Zandraket in Wageningen
Het onderzoek aan Arabidopsis werd vijftig jaar geleden door Wil Feenstra vanuit de VS naar Wageningen gebracht. Toen Feenstra hoogleraar werd in Groningen, bleef de Wageningse hoogleraar Erfelijkheidsleer Jaap van der Veen werken met de zandraket.
Maarten Koornneef stond vanaf 1976 aan de basis van de opmars van de zandraket als modelplant door zijn beschrijving van nieuwe typen mutanten. Hij wordt door collega's gezien als de wereldautoriteit op het gebied van Arabidopsis.
Inmiddels werken honderden Wageningse onderzoekers aan de zandraket. De Wageningse geneticus Hans de Jong meent dat het gebouw Radix eigenlijk Arabidopsis moet heten, omdat bijna alle onderzoekers in het gebouw werken met deze modelplant.
Het aantal publicaties over Arabidopsis bij de onderzoekschool Experimental Plant Sciences is groter dan over belangrijke voedingsgewassen als aardappel en tomaat.

Wat maakt het plantje zo aantrekkelijk?
Koornneef: 'Het heeft een klein genoom, slechts vijf chromosomen en 25 duizend genen. Bij andere gewassen, zoals erwt en gerst, is het genoom al gauw dertig keer groter. Die andere gewassen bevatten niet meer functionele genen, maar bevatten veel meer niet-coderend DNA, ook wel junk-DNA genoemd. Het genoom van A. thaliana is dus heel functioneel. Bijna alle basisprocessen in Arabidopsis hebben andere planten ook. Verder is Arabidopsis een zelfbevruchter, wat een voordeel is bij de bestudering van de overerving van eigenschappen. Ook heeft de plant een korte generatieduur en een geringe afmeting, waardoor je de onderzoekskosten relatief laag kunt houden. Tot slot is het handig dat je gemakkelijk vreemd DNA kunt inbrengen.'
Wat heeft de zandraket ons geleerd?
Koornneef: 'Een voorbeeld is het functioneren van plantenhormonen op moleculair niveau. Die spelen een rol bij alle ontwikkelingsprocessen in de plant. De kennis over de biosynthese en de werking van deze hormonen op biochemisch en moleculair niveau was beperkt. Nu weten we van vrijwel elk hormoon bij welke processen het betrokken is. Bovendien zijn via Arabidopsis nieuwe plantenhormonen ontdekt. Zo wordt de bloei van planten gereguleerd door florigeen, een eiwithomoon dat vanuit een blad naar de top van de plant wordt getransporteerd. Het gen dat codeert voor dit bloeihormoon, is geïsoleerd in Arabidopsis. Uit nader onderzoek blijkt dat dit gen in alle plantensoorten deze rol heeft. Het mooie is ook dat deze ontdekking is gebaseerd op een mutant die dertig jaar geleden door mijn toenmalige baas Jaap van der Veen is gevonden.
'Ook onze kennis over de ontwikkeling van het plantenembryo is gebaseerd op onderzoek aan Arabidopsis, net als de kennis over zaadkieming en wortelvorming. Allemaal fundamentele processen. Er is een tabel gemaakt met belangrijke ontdekkingen op het gebied van de invloed van licht op de ontwikkeling van planten. Eerst komen die doorbraken uit onderzoek aan allerlei gewassen, na 1988 zijn bijna alle belangrijke ontdekkingen in Arabidopsis gedaan.'

Wat kunnen veredelaars daarmee?
Koornneef: 'Veredelingsbedrijven willen bijvoorbeeld de smaak van de tomaat verbeteren. Welke genen zijn daarvoor verantwoordelijk? De onderzoekers kijken dan in Arabidopsis welke factoren het vruchtrijpingshormoon ethyleen reguleren. In Arabidopsis is een mutant gevonden waarin dit hormoon niet functioneerde en vervolgens is het betreffende gen voor vruchtrijping geïsoleerd. Daarna kijken de onderzoekers in de tomaat of dit gen daar ook verantwoordelijk is voor vruchtrijping. Ze kunnen een calculated guess maken.  Ze hoeven niet twintigduizend genen te screenen, ze kunnen met minder dan tien genen toe.'
'Je kunt zandraket-kennis ook gebruiken om transgene planten te maken. Collega's in de VS hebben een set genen gevonden in Arabidopsis die coderen voor droogteresistentie. Ze hebben dit setje gepatenteerd en aangeboden aan een biotechbedrijf: Wil je dit setje inbouwen in maïs? Er zitten transgene toepassingen van Arabidopsis-onderzoek in de pijplijn in de VS.'
'Verder wordt de kennis toegepast bij het realiseren van resistentie tegen ziekten. De ziekteresistentie in Arabidopsis is subtiel geregeld, onze kennis daarover is diepgaand. Onderzoekers in Keulen hebben een zeker mate van resistentie tegen de aardappelziekte Phytophthora infestans gevonden op basis van onderzoek aan Arabidopsis en die kennis vertaald naar de aardappel.'
Wie profiteert er van deze kennis?
Bisseling: 'Alle kennis is publiek toegankelijk. Er heerst een enorme openheid in de Arabidopsis-gemeenschap. Dat is geen altruïsme, hoor. Openheid is goed voor de wetenschappelijke ontwikkeling. Er worden bij Arabidopsis soms genen gepatenteerd, maar veel minder dan bij gewassen. Bij een gewas als tomaat is de toepassing veel belangrijker en doet men wat geheimzinniger
Koornneef: 'Ik herinner me een Arabidopsis-congres in 1987 met veel nieuwe mensen die onder meer overkwamen van het onderzoek aan de fruitvlieg. Net als Arabidopsis was fruitvlieg een simpel modelorganisme voor genetici met duizenden mutanten. Die groep mensen bracht een gevoel van openheid mee, en een traditie dat snel kennis uitwisselen dé manier is om vooruitgang te boeken. Dat heeft mede het succes van Arabidopsis bepaald. Terugkijkend was het een gelukkige keuze.'
Top-3 Wageningse Arabidopsis-artikelen
1. Analysis of the genome sequence of the flowering plant Arabidopsis thaliana.
    Honderden auteurs, waaronder Willem Stiekema; Nature 2000, 3219 keer geciteerd
2. Construction of integrated genetic-linkage maps by means of a new computer package:
    Join Map P. Stam; Plant Journal 1993, 603 keer geciteerd
3. Genetic control of light-inhibited hypocotyl elongation in Arabidopsis thaliana (L) Heynh M. Koornneef,
    E. Rolff, C.J.P. Spruit; Zeitschrift für Pflanzenphysiologie 1980, 535 keer geciteerd.

Re:ageer