Een uitgebreide nieuwe analyse van genetische variaties in tomaten heeft 230.000 eerder onbekende grote verschillen in DNA blootgelegd. Naarmate de tomatenplanten zich verder ontwikkelden, werden er onderdelen van het DNA verwijderd, gedupliceerd of anders gerangschikt. Deze genomische ‘structurele variaties’ bevestigen de diversiteit onder tomaten, waardoor de smaken, opbrengsten en vormen verschillen.
Het onderzoek was een samenwerkingsverband dat werd geleid door professor Howard Hughes van Cold Spring Harbor Laboratory, Zachary Lippman, onderzoeker van het Medical Institute, en professor Michael Schatz van de John Hopkins University. Het is de meest uitgebreide analyse tot dusver van structurele genomische variaties voor een gewas dat veel geteeld wordt. Veredelaars en wetenschappers kunnen deze informatie nu toepassen in hun processen of efficiënter nieuwe, gewenste planten telen.
DNA-sequencing
Grote verschillen tussen genomen, die bekend staan als structurele variaties, zijn waarschijnlijk verantwoordelijk voor een groot aantal planteigenschappen die telers graag terug zien. Maar deze elementen zijn al jaren moeilijk te bestuderen, waardoor veel van de genetische oorsprong van de tomatendiversiteit onbeantwoord blijft, zegt Xingang Wang, een postdoctorale onderzoeker in het lab van Lippman.
Nieuwe technologie voor DNA-sequencing in combinatie met nieuwe technologie voor genoombewerking heeft het onlangs eenvoudiger gemaakt om de structurele variaties op te sporen en te bestuderen hoe deze de gewaseigenschappen beïnvloeden. Het team van Lippman maakte gebruik van de kans om dit te onderzoeken, samen met wetenschappers van de John Hopkins University, de University of Georgia, het Boyce Thompson Institute en anderen.
Lipman: “Er was een gigantische hoeveelheid van natuurlijke genetische variaties die we niet konden zien. En de enige manier om hierachter te komen was met de nieuwe technologie. Er waren al behoorlijk wat aanwijzingen in de literatuur over een aantal van deze verborgen structurele variaties en waarom deze belangrijk zouden zijn. Maar het belang ervan werd alsnog flink onderschat. Daarom moesten we dit echt onderzoeken. De enige manier om dat te doen was door honderd verschillende genomen te onderzoeken.”
Samen voerde de groep sequencing uit van de genomen van 100 verschillende tomatenvariëteiten, inclusief robuuste variëteiten die geschikt zijn voor de industriële tuinbouw, sappige afstammelingen en wilde familieleden van gecultiveerde tomaten. Binnen deze genomen identificeerde het team meer dan 230.000 structurele variaties.
Door het aantal kopieën van het gen KLUH te vergroten kon men het gewicht de vruchten verhogen. De tomaten links hebben 3 kopieën KLUH en de tomaten rechts slechts één.
Crispr-Cas
Om de rol van structurele variaties in de diversiteit beter te begrijpen, liet het team zien dat duizenden genen werden veranderd door de structurele variaties. Ze gebruikten Crispr-Cas, de genoombewerkingstool die gerichte wijzigingen kan aanbrengen in DNA, om aan te tonen dat het dupliceren van een bepaald gen resulteerde in een vergroting van de vruchten met ongeveer 30%.
Volgens Schatz: “Eerdere onderzoeken hebben dit gen genaamd KLUH geïdentificeerd als belangrijk. Het zorgt ervoor dat de plant kleiner blijft. Als je de naam van achteren naar voren spelt, krijg je het Engelse woord voor superheld. In eerdere onderzoeken dacht men dat het ging om een enkele nucleotide variatie. We zagen dat dit niet het geval was, maar een van de structurele variaties die nooit eerder waren opgespoord. Het bleek ook dat er een zogenaamde kopie-variatie was. Zodra je extra kopieën van dit KLUH-gen hebt, zorgt het ervoor dat alle cellen in de plant groter worden en de vruchten groter worden. We denken dat dit daarom een enorme invloed gaat hebben in de tuinbouwwetenschap. We hebben dit nu uitgevoerd bij tomaten, maar het experimentele ontwerp kan feitelijk in elk gewas worden toegepast.”
Tijdens het onderzoeken van een andere variatie vonden ze een gen dat bijdraagt aan een rookachtige smaak in sommige tomaten. Wang zegt: “Door het oorspronkelijke gen en de mutaties van deze smaak te identificeren kunnen veredelaars in de toekomst de rooksmaak op de juiste manier vergroten of deze proberen te verwijderen.”
In het derde deel met experimenten gebruikten de onderzoekers CRISPR om de complexe interactie tussen vier structurele variaties in kaart te brengen die een wisselwerking kan verminderen tussen een eigenschap die het oogsten vereenvoudigt en een andere die de productiviteit vermindert.
De tomatensector is goed voor $ 190 miljard wereldwijd. Door te weten hoe de structurele variaties de tomaten beïnvloeden hebben veredelaars nieuwe mogelijkheden om de eigenschappen van tomaten te verbeteren. Ook toont dit aan hoe structurele variaties die het veredelen kunnen verbeteren waarschijnlijk verborgen liggen in de complexe genomen van veel andere belangrijke gewassen, zoals maïs, rijst en sojabonen.