Méérdere potentiële plaaggevoeligheidsgenen tegelijk aanpassen in aardappels met CRISPR-Cas techniek

Onderzoekers zijn er voor de eerste keer in geslaagd om meerdere genen die aardappelplanten mogelijk vatbaar maken voor de gevreesde plaag Phytophthora infestans tegelijk aan te passen. Doctoraatsstudent Ania Lukasiewicz (ILVO-VIB) gebruikte daarvoor de ‘new breeding techniek’ CRISPR-Cas. Of de genen effectief uitgeschakeld zijn en de nieuwe aardappelplanten effectief resistent zijn tegen de plaag, moet verder worden getest. Maar voor de ontwikkeling van een nieuwe generatie, langdurig resistente aardappelrassen is deze wetenschappelijke doorbraak alvast een eerste stap.

Het Europees parlement zette vorige week het licht op groen om planten verkregen met bepaalde new breeding technieken (de zogenaamde NGT’s) zoals CRISPR-Cas uit te sluiten van de zeer strikte Europese ggo-wetgeving. In het wetsvoorstel dat zij stemden worden twee verschillende categorieën en twee soorten regels voor NGT-planten onderscheiden (NGT 1 en NGT 2). NGT 1-planten waaronder planten verkregen met bepaalde CRISPR-Cas technieken worden door de Europese voedselveiligheidsdienst EFSA als even veilig (‘gelijkwaardig’) beschouwd als traditionele planten en daardoor vrijgesteld van de voorschriften van de ggo-wetgeving. Het wetsvoorstel moet nog voor stemming voorgelegd worden aan de lidstaten in de Europese Raad.

Aardappelplaag

De schimmel Phytophthora infestans is verantwoordelijk voor de aardappelplaag die midden 19^e eeuw aanleiding gaf tot de grote hongersnood in Ierland. Ook in Vlaanderen veroorzaakt de schimmel nog steeds grote verliezen in de aardappelsector. In totaal gaat het in Europa om een jaarlijks verlies dat schommelt rond 1 miljard euro.

Aardappelvelden worden preventief behandeld met gewasbeschermingsmiddelen om de plaag te beheersen. Dit verhoogt het risico op de vorming van nieuwe resistente schimmelvarianten en zet druk op het milieu. Daarom zoeken wetenschappers naar andere oplossingen. Aardappelrassen ontwikkelen die resistent zijn tegen de schimmel, is één van die oplossingspaden.

Wilde aardappels x commerciële rassen

De klassieke manier om resistente rassen te maken is via veredeling oftewel het gericht kruisen van moeder- en vaderplanten met interessante kenmerken en het selecteren van kruisingen waarin die kenmerken terugkomen. Resistentiegenen uit wilde aardappelsoorten worden op die manier stap voor stap ingekruist in bestaande commerciële rassen. Om een stabiele resistentie te bekomen die niet snel wordt doorbroken in het veld, is het nodig om meerdere resistentiegenen samen in te kruisen. Bij aardappel kan het veredelingsproces tot 50 jaar duren.

Gerichte knip in het DNA

Om dit proces te versnellen, wordt New breeding technologie ingezet om zogenaamd ‘prebreeding’ materiaal te genereren dat vervolgens in de klassieke veredeling wordt ingekruist. Bij de hier relevante vorm van CRISPR-Cas wordt geen vreemd DNA ingebracht maar worden heel gericht de eigen genen die verantwoordelijk zijn voor bepaalde eigenschappen in de plant ‘geknipt’. Het op deze manier uitschakelen van zogenaamde ziektegevoeligheidsgenen in aardappel zou een goede alternatieve strategie zijn om verbeterde resistentie in aardappelrassen tegen bijvoorbeeld de plaag te introduceren. Gevoeligheidsgenen worden door de ziekmakende schimmel gebruikt om de plant te besmetten, zichzelf te vermenigvuldigen in de plant en zichzelf te verspreiden.

Revolutionair: méérdere genen in één keer geknipt

Doctoraatsonderzoeker Ania Lukasiewicz (ILVO/VIB) slaagde erin om meerdere van die vermoedelijke gevoeligheidsgenen tegelijk te muteren. Hetzelfde procedé werd eerder al met succes toegepast voor één enkel gevoeligheidsgen in aardappel, mét bewezen verhoogde resistentie in het veld. Maar nooit eerder werd het met succes gedaan voor meerdere van die genen tegelijk, en dat is voor langetermijnbescherming tegen de plaag net zo interessant. Meerdere genen tegelijk uitschakelen verhoogt het verdedigingsmechanisme van de plant om een besmetting te onderdrukken of zelfs helemaal te voorkomen.

Ania Lukasiewicz: “Ik heb in mijn onderzoek gebruikgemaakt van de grote gelijkenis tussen gevoeligheidsgenen in verschillende plantensoorten. We konden in het aardappelgenoom in totaal 87 genen identificeren waarvan we sterk vermoeden dat ze gevoeligheidsgenen zijn. Binnen deze set van genen hebben we vervolgens een selectie gemaakt en verschillende hiervan hebben we succesvol kunnen aanpassen met behulp van de CRISPR-Cas techniek.”

Of de nieuwe aardappels van Ania Lukasiewicz ook effectief resistent zijn en blijven tegen de gevreesde schimmel, moet nog verder worden onderzocht.

GeCRISPRde planten als NGT 1-planten

In de natuur worden genen meestal uitgeschakeld doordat er onder invloed van bijvoorbeeld UV-stralen willekeurige afwijkingen ontstaan in het DNA van dat gen. Dit betekent dat de sequentie – de volgorde van de letters van het DNA – een klein beetje verandert. Dit kan tot gevolg hebben dat het eiwit dat normaal gezien in de plantencel gemaakt wordt op basis van dit gen, niet meer hetzelfde is en dus ook niet meer werkt. In dat geval zeggen we dat het gen ‘uitgeschakeld’ is.

Bij CRISPR-Cas worden wijzigingen niet willekeurig aangebracht maar op heel specifieke plaatsen in het DNA. De plant reageert daarop met hetzelfde herstelmechanisme. Omdat de resulterende plant ook spontaan in de natuur zou kunnen voorkomen, valt deze techniek onder de voorgestelde NGT 1-categorie in het Europese wetsvoorstel.

Doctoraat

Ania Lukasiewicz verdedigde haar doctoraat ‘Building resistance: multiplex CRISPR/Cas editing in potato’ op 23 november 2023 in het Technologiepark in Zwijnaarde. Promotoren waren Dr. Tom Jacobs (VIB/UGent), Prof. dr. Frank Van Breusegem (VIB/UGent), Dr. ir. Tom Eeckhaut (ILVO) en Prof. dr. Tom Ruttink (ILVO/UGent). Intussen is Ania Lukasiewicz werkzaam bij Wageningen Universiteit.

Contact

Ania Lukasiewicz, doctorandus: ania.lukasiewicz@wur.nl