Een vergelijkbare metamorfose kostte tot voor kort tot wel duizenden jaren tijd.

Mensen zijn al duizenden jaren in de weer met bekende gewassen zoals maïs en tarwe. Het begon allemaal met een wilde voorouder die – door slim te kruisen – steeds begeerlijkere eigenschappen kreeg, waarvan een rijkere oogst natuurlijk het beste voorbeeld is. Het heeft onder meer geresulteerd in de volle maiskolven en overhangende tarwearen zoals we die vandaag de dag kennen.

Keerzijde
Deze plantenveredeling werpt dus – letterlijk – zijn vruchten af. Maar er zit ook een keerzijde aan. Door in te zetten op begeerlijke eigenschappen – zoals een hogere opbrengst – gaat door de jaren heen een stukje genetische diversiteit verloren. En ook andere nuttige eigenschappen die de wilde plant wel had, kunnen verdwijnen. Zo zien we vaak dat doorgekweekte planten wat vatbaarder zijn voor ziekten, wat minder smaak hebben of minder vitamines en voedingswaarde herbergen.

Eén generatie
Dat zou anno 2018 toch anders moeten kunnen? Een internationaal team van onderzoekers kan die vraag nu bevestigend antwoorden. De wetenschappers zijn er namelijk in geslaagd om – met behulp van CRISPR-Cas9 – een wilde tomatenplant in één generatie tijd te veranderen in een echt gewas. En dat zonder de waardevolle genetische eigenschappen van de wilde plant kwijt te raken. “Deze nieuwe methode stelt ons in staat om het domesticatieproces helemaal van voor af aan te starten,” aldus onderzoeker Jörg Kudla. “Door dat te doen, kunnen we alle kennis omtrent plantengenetica en plantendomesticatie die onderzoekers in de afgelopen decennia hebben verzameld, gebruiken. We kunnen de genetische potentie en met name de waardevolle eigenschappen van de wilde planten behouden en tegelijkertijd in korte tijd de gewenste kenmerken van een modern gewas voortbrengen.”

De wilde tomaat
De onderzoekers gingen aan de slag met de wilde tomatenplant Solanum pimpinellifolium. Net als de tomatenplant die ons van tomaten voorziet, levert S. pimpinellifolium vruchten af. Maar die zijn slechts zo groot als erwten. Bovendien zitten er niet zo heel veel aan. Die twee kenmerken maken S. pimpinellifolium niet direct geschikt als gewas. Tegelijkertijd hebben de vruchten van de wilde tomatenplant wel veel meer smaak dan die van de doorgeteelde tomatenplanten. Daarnaast bevatten de vruchten van de wilde tomatenplant veel meer lycopeen, een antioxidant die kanker en hart- en vaatziekten kan helpen voorkomen.

Aanpassingen en impact
Om deze wilde tomatenplant – die in veel opzichten dus toch wel wat te bieden heeft – geschikt te maken als gewas, brachten onderzoekers met CRISPR-Cas9 kleine genetische aanpassingen aan in zes genen. Hierdoor werden de vruchten drie keer groter dan die van de wilde tomatenplant, waardoor ze zich ongeveer konden meten met de cherrytomaat. Daarnaast nam de opbrengst toe: na de aanpassing leverde S. pimpinellifolium ongeveer tien keer meer vruchten af. En de vorm van de vruchten veranderde ook: in plaats van rond, waren de vruchten van de genetisch aangepaste S. pimpinellifolium wat ovaler. Dat is gunstig, omdat ronde vruchten sneller openspringen dan ovale vruchten. Bovendien bevatten de vruchten van de genetisch aangepaste tomatenplant twee keer meer antioxidanten dan voorheen (oftewel vijf keer meer dan conventionele cherrytomaten). “Dit is een innovatie die onmogelijk bewerkstelligd kan worden middels de conventionele veredeling van gecultiveerde tomaten,” aldus Kudla. Pogingen om middels de conventionele plantenveredeling meer antioxidanten in gecultiveerde tomaten te krijgen, bleken of te mislukken of ten koste te gaan van een ander waardevol stofje: bètacaroteen (dat onze cellen beschermt).

Wat is CRISPR/Cas9?
Een vrij nieuwe gentherapie die onderzoekers in staat stelt om specifieke genen uit te schakelen of ongewenste stukjes DNA door een alternatief stukje DNA te vervangen. Bacteriën gebruiken de methode al heel lang om zich tegen virussen te beschermen. Dat gaat zo: zodra een virus (bacteriofaag) de bacterie binnendringt, verwerkt de bacterie het DNA van het virus in een bijzondere DNA-sequentie (ook wel CRISPR genoemd, wat staat voor Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). Vervolgens maakt de bacterie RNA aan dat een kopie van het DNA van het virus bevat. Dat RNA wordt opgenomen door een enzym dat Cas wordt genoemd (dat staat voor CRISPR-associated proteins). Deze enzymen laten zich door het RNA naar het virus loodsen. Zodra Cas bij het virus is aangekomen, knipt het enzym het DNA van het virus in stukjes. Het resultaat? Het virus kan zich niet langer vermenigvuldigen. Wanneer onderzoekers deze gentherapie inzetten, gebruiken ze door RNA geleide Cas-enzymen in om een knip te zetten in een specifiek stukje DNA. Zodra het enzym een specifiek stukje DNA heeft opgeknipt, zal de cel waarin dat DNA zich bevindt, proberen om dat DNA te repareren. Maar vaak gaat dat mis en ontstaan mutaties waardoor het gen dat uit dat betreffende stukje DNA is opgebouwd niet meer functioneert. Zo kan CRISPR/Cas9 ingezet worden om specifieke genen uit te schakelen. Daarnaast is het op vergelijkbare wijze ook mogelijk om ‘foute’ stukjes DNA te vervangen. In dat geval geef je het guide-RNA een alternatief stukje DNA mee dat zodra het Cas-enzym een knip heeft gezet in het DNA, op die plek kan worden ingevoegd.

Nieuwe, extra gezonde gewassen
Het nieuwe onderzoek is bijzonder veelbelovend. De onderzoekers verwachten op de beschreven manier talloze nieuwe gewassen te kunnen genereren. Daarbij zouden we bijvoorbeeld gericht kunnen gaan zoeken naar wilde planten waarvan we weten dat ze heel gezond zijn, maar die – bijvoorbeeld doordat ze een lage opbrengst hebben – nog niet door mensen worden benut. Met wat kleine genetische aanpassingen kunnen ze immers heel geschikt worden als gewas.

Al met al denkt Kudla met de nieuwe aanpak het probleem van de plantenveredeling op te kunnen lossen. “Onze moderne gewassen zijn het resultaat van veredeling – met alle voor- en nadelen die daarbij horen. Veel van de eigenschappen – zoals veerkracht – zijn verloren gegaan en kunnen we alleen terugkrijgen middels een arbeidsintensief, decennialang durend proces waarbij we de gecultiveerde plant weer kruisen met de wilde plant, als dat al gaat.” Kudla wijst er wat die laatste opmerking betreft, op dat eigenschappen van planten het resultaat zijn van een interactie tussen talloze genen. En vaak is het niet mogelijk om die interactie door de conventionele veredeling te herstellen. “In veel opzichten is domesticatie als een eenrichtingsstraat. Met behulp van moderne genome engineering kunnen we de voordelen van wilde planten gebruiken en dit probleem oplossen.”