Ook planten blijken eigenschappen epigenetisch over te kunnen dragen. Door die epigenetica te beïnvloeden, kunnen telers wellicht het aanpassingsvermogen van zaden aan bijvoorbeeld droogte vergroten.

Toen bio-informaticus Frank Johannes van de RUG een paar jaar geleden de groei van negentig genetisch identieke zandraketten ging volgen, deed hij een opmerkelijke ontdekking. Veel plantjes vertoonden een afwijkende bloeitijd, rozetgrootte of wortellengte, terwijl ze niet alleen hetzelfde DNA hadden, maar ook nog eens onder dezelfde omstandigheden waren opgegroeid. Het enige verschil tussen de lijnen was hun epigenetisch profiel: het patroon van genen die wel en niet tot expressie komen. Het verbazingwekkende was dat die epigenetische informatie maar liefst zeven generaties lang is doorgegeven, meldde hij begin 2014 in Science.

‘Deze studie was een doorbraak’, zegt Joost Keurentjes, geneticus bij Wageningen UR. ‘Voor het eerst liet een groep zien dat organismen eigenschappen stabiel kunnen overdragen zonder dat de basenvolgorde in het DNA verandert.’ Koen Verhoeven, evolutionair ecoloog bij het NIOO-KNAW in Wageningen, stelt: ‘Inmiddels is het onomstreden dat epigenetische variatie bijdraagt aan de overerving van eigenschappen. Die kennis kan het bedrijfsleven nu gebruiken bij de veredeling van gewassen.’

DNA-methylering

Epigenetische overerving is overerving van eigenschappen die onderzoekers niet kunnen verklaren op basis van veranderingen in de DNA-basenvolgorde. Patro­nen in gen­expressie die worden overgeërfd, kunnen dit wel verklaren; bijvoorbeeld verpakking van DNA in chromatine, kleine regulerende moleculen als siRNA’s en DNA-methyl­ering kunnen epigenetische genexpressiepatronen beïnvloeden. DNA-methylering is hiervan het best bestudeerd (zie kader rechtsboven).

Vanuit evolutionair oogpunt is die overerfbaarheid goed te verklaren: een plant ervaart droogte of overstroming en schakelt daardoor bepaalde genen aan of juist uit. Op een of andere manier kan de plant dit dan vastleggen in een methyleringspatroon dat niet meteen weer verdwijnt. De plant kan het zelfs overdragen, zodat de volgende generatie beter is voorbereid op de nieuwe stressfactor. Keurentjes: ‘Over­dracht van methyleringspatronen kan de plant een flexibeler aanpassing bieden dan veranderingen in de DNA-volgorde, die niet zomaar zijn terug te draaien.’

Nu is de vraag hoe je die eigenschappen controleert

Bisulfiet-sequencing

De technieken om epigenetische over­erving te onderzoeken, verbeteren snel. De negentig zandraketten die Groningse wetenschappers onderzochten, kwamen voort uit een kruising van een ‘normale’ ouder met een mutant waarin veel methylgroepen van het cytosine waren afgehaald. De nakomelingen hadden zo allemaal een ander methyleringspatroon. Dit bracht de groep in kaart met bisulfiet-sequencing: door voor het sequensen bisulfiet toe te voegen aan het DNA, wordt niet-gemethyleerd cytosine omgezet in de base uracil, die normaliter alleen voorkomt in RNA. Door vervolgens de uitkomst te vergelijken met een referentiegenoom, is af te lezen waar een gemethyleerde cytosine zat.

Met die techniek vond de groep van Keurentjes dat de zandraket in een zout medium zijn methyleringspatroon zo kan aanpassen dat hij onder die stressfactor beter groeit. En dat dit patroon, met bijbehorende eigenschappen, inderdaad overdraagbaar is naar de volgende generatie. Zandraketten die vier generaties op zout medium groeiden, hielden hun verkregen methyleringspatroon nog zeker twee generaties vast, als ze op controlemedium kwamen te staan.

Voor dit, nog niet gepubliceerde, onderzoek laten de Wageningers genetisch identieke zandraketten met verschillende methyleringspatronen groeien op water en meststoffen, met of zonder extra zout erin, in klimaatgecontroleerde kamers met camera’s die de groei volgen. Keurentjes: ‘In het zoute medium vinden we statistisch significante verbanden tussen wel of niet gemethyleerde regio’s in het DNA en planten die het in een zout medium goed doen. Maar we hebben daarmee nog niet zomaar de genen gevonden die speciaal onder zoutstress worden aan- of juist uitgeschakeld. We kijken naar regio’s van een tot twee miljoen basenparen. Daarin kunnen wel een paar honderd genen liggen.’

Nieuwe techniek

Vorig jaar ontwikkelde de groep van Verhoeven met onderzoekers van de Radboud Universiteit een nieuwe methode om methyleringspatronen te analyseren. Een restrictie-enzym knipt het DNA in delen, waarna je van alleen het eerste stukje van zo’n deel het methyleringspatroon bekijkt met bisulfiet-sequencing. In februari meldden ze in Nature Methods dat ze zo in totaal ongeveer 1 % van het DNA in kaart brachten. Het is een handige methode voor planten met grote genomen en planten waarvoor nog geen referentiegenomen zijn. Verhoeven: ‘Deze aanpak blijkt genoeg om in experimenten met enkele honderden planten relevante verschillen in methyleringspatronen bloot te leggen. We bekijken hiermee bijvoorbeeld hoe het kan dat aseksueel voortplantende paardebloemen (genetisch identieke lijnen dus, red.) zich zo succesvol over Europa weten te verspreiden.’

Verhoeven ontdekte vorig jaar met onder meer Tsjechische collega’s, dat als je genetisch identieke paardenbloemen uit Tsjechië, Finland en Duitsland onder dezelfde omstandigheden laat opgroeien, ze verschillende bloeitijden vertonen. Als je echter eerst het DNA met de chemische stof zebularine demethyleert, verdwijnen die verschillen. Dat toont aan dat de eigenschap epigenetisch is bepaald.

Vragen

Er zijn nog wel veel vragen. Hoe groot is het overerfbaar deel van de methyleringspatronen en hoe functioneel is dit mechanisme nu werkelijk? En hoe kun je gericht methyleringspatronen zo veranderen dat de plant inderdaad beter groeit onder stress? Om hierachter te komen, moeten van nog heel wat genetisch identieke planten in verschillende (stressvolle) omstandigheden correlaties worden gevonden tussen eigenschappen, patronen in gen­expressies en methyleringspatronen.

Een andere vraag is welke rol spontane mutaties in dit proces spelen. De Groningse onderzoekers meldden vorig jaar in PNAS dat in de zandraket spontane mutaties in methylering van cytosine zo’n 100.000 keer vaker voorkomen dan mutaties in DNA-volgorde. Net als bij DNA-mutaties zijn de meeste methyleringsmutaties neutraal, maar een deel kan er net voor zorgen dat een plant zich onder stress beter handhaaft.

Toch al baat

Ondanks alle vragen kunnen veredelingsbedrijven toch al baat hebben bij de nieuwe epigenetische inzichten, aldus Verhoeven. ‘Bedrijven zouden vaker rassen kunnen vermeerderen in bijvoorbeeld droge of verzilte akkers. Wellicht dat de nakomelingen dan dankzij bepaalde epigenetische patronen beter op zulke stressfactoren zijn voorbereid. Daarnaast kun je denken aan het inkruisen van stabiel overerfbare epigenetische patronen die afhankelijk zijn van een bepaalde basenvolgorde in het DNA. Al moet daarvoor eerst duidelijk zijn hoe de DNA-volgorde epigenetische patronen bepaalt.’

‘We hebben nu aangetoond dát planten epigenetisch eigenschappen kunnen ontwikkelen en overdragen’, zegt Keurentjes. ‘De volgende stap is nagaan hoe je dit stuurt en controleert. Gelukkig worden de technieken om die correlatiestudies te doen steeds beter en goedkoper. Het methyleringspatroon bepalen van Arabidopsis kan inmiddels al vanaf € 600.’