Springende genen bepalen hoe een kool eruitziet

Koolgewassen vormen een belangrijk onderdeel van ons menu. De variatie is erg groot. Toch zijn bloemkool, broccoli, spruitjes, rode kool, witte kool, koolrabi en spitskool allemaal variaties van dezelfde soort, namelijk Brassica oleracea. Hoe is zo’n grote vormenrijkdom binnen één soort te verklaren?

En de variatie gaat verder dan de uiterlijke vorm. Ook de inhoudsstoffen (zoals vitamines en antioxidanten) of de weerbaarheid tegen droogte, koude en ziekten verschillen nogal.

Er was al behoorlijk veel zicht op het genoom (het geheel aan genetische informatie) van verschillende koolsoorten, maar onduidelijk was vooralsnog hoe die variatie in het genoom gerelateerd is aan die diversiteit in groentes.

Internationale samenwerking

Onderzoekers van Wageningen University & Research en de Chinese Academy of Agricultural Sciences Beijing hebben daarom de handen ineengeslagen. Ze hebben de DNA-volgorde van 23 verschillende koolgewassen bepaald en samen met al bestaande data geanalyseerd. “We hebben een zogenaamd pan-genoom geconstrueerd: dat is het overzicht van alle verschillende genen binnen de koolgewassen. Vervolgens hebben we bekeken welke van die genen in elk koolgewas voorkomen, welke voorkomen in het grootste deel en welke uniek zijn voor een bepaald gewas”, vertelt Guusje Bonnema, veredelingsonderzoeker bij Wageningen University & Research. De afgelopen jaren werkte zij vanuit Nederland samen met mede-onderzoeker ChengCheng Cai intensief aan het onderzoek. Dat gaf zeer verrassende resultaten: slechts één derde van de genen is aanwezig in alle koolgewassen. En de helft van al die de genen komt maar in een deel van de gewassen voor en is afwezig in de rest.

“Nu heeft Brassica wel erg veel genen. Bloemkool bijvoorbeeld zo’n 60.000 (de mens heeft er 20.000). Dat komt doordat het genoom vijftien miljoen jaar geleden is verdriedubbeld, terwijl het oorspronkelijke genoom al voldoende was om de plant goed te laten functioneren. We willen begrijpen waar de oorsprong van de variatie zit en vervolgens kun je daar mee experimenteren om betere rassen te krijgen”, vertelt Bonnema.

Springende genen

Een opmerkelijk detail is dat meer dan de helft van het genoom bestaat uit transposons. Dat zijn kleine stukjes DNA die ‘rondspringen’ in het genoom. Ze kunnen dus op allerlei verschillende plekken voorkomen. In het Nederlands worden ze ‘springende genen’ genoemd. Bij de mensen hebben ze een slechte naam omdat ze de oorzaak zijn van ziekten zoals hemofilie. Bij planten ligt dat anders, daar zijn ze een belangrijke bron van natuurlijke variatie.

“We hebben nu ontdekt dat die transposons vaak de activiteit van nabijgelegen genen regelen. Ze vergroten of verkleinen hun activiteit. Voorheen gingen we bij de vraag ‘wat maakt de bloemkool tot bloemkool’ op zoek naar de bepalende genen voor die specifieke vorm: een compact bloemgestel dat niet uitgroeit. Maar nu weten we dat je niet alleen de genen in beeld moet hebben, maar zeker ook de bediening daarvan. De transposons dus. Ze zijn de aan/uit-knoppen en de dimmers van de genen waarbij ze in de buurt liggen”, vertelt ze.

Doorbraak in het inzicht

Dat er nu een pan-genoom beschikbaar is, maakt het mogelijk om de transposons en andere structuurvariaties te categoriseren. “Ze zetten de genen harder of zachter aan. En dan niet alleen de genen die de specifieke vormen van de verschillende kolen bepalen. Ook de genen die resistenties bepalen of de voedingswaarde. En de weerbaarheid tegen klimaatomstandigheden. Bloemkool bijvoorbeeld is erg gevoelig voor temperatuur. Als je begrijpt hoe het proces gaat, kun je gemakkelijker sturen en tot rassen komen die minder temperatuurgevoelig zijn”, zegt Bonnema.

“Dit is werkelijk een doorbraak in de inzichten. We hadden het oog altijd gericht op de variaties binnen de genen. Nu weten we dat het veel subtieler gaat. Het reguleren van de activiteit van de genen heeft enorm veel invloed.”