Plantenwetenschappers ontwikkelden een lucratievere maisvariant. Een enkel gen gecontroleerd tot overexpressie brengen blijkt de truc te zijn.

‘Wij hadden wel een effect in deze richting verwacht. Maar niet in deze omvang’, bekent plantenonderzoeker Hilde Nelissen van het Center for Plant Systems Biology van het Vlaams Instituut voor Biotechnologie (VIB). Samen met collega’s ontwikkelde hij een maisvariant die niet alleen groter blad heeft, maar ook zwaardere kolven met meer maiskorrels. Nelissen en hoogleraar Dirk Inzé, wetenschappelijk directeur van het centrum, leidden de afgelopen jaren het onderzoek naar de genexpressie van mais waarvan de resultaten in maart verschenen in Nature Communications.

Productieverbetering

Na twee jaar veldproeven te hebben uitgevoerd in Vlaanderen en Iowa (VS), stelden de onderzoekers vast dat de door hen aangepaste maisklonen, onder gangbare teelt-omstandigheden, significant groter blad en beduidend zwaardere kolven met meer en grotere maïskorrels met zich mee brachten. Ze verwachten dat hun genetische aanpassing in commerciële maishybrides een 10 tot 15 % hogere zaadopbrengst geeft. Dat is een aanzienlijke productieverbetering voor ´s werelds meest verbouwde voedingsgewas.

Gericht zoeken was de drempel tot succes

Promotor

De Vlaamse biologen veranderden gericht de expressie van het maisgen PLASTOCHRON1 (ZmPLA1), betrokken bij de plantengroei door waarschijnlijk het bevorderen van plantengroeihormonen. Op basis van zorgvuldige analyse van het transcriptoom – het geheel aan RNA-transcripten in de cel, van enkel de delingszone, de eerste halve centimeter van het maisblad, selecteerden zij een nieuwe promotor die het PLA1-gen op deze plek langer tot expressie zou brengen dan de eigen PLA1-promotor. Dat moest er wel een zijn die de expressie voor enige tijd, maar niet te lang, opvoert. Overexpressie kan tot ongewenste afwijkingen in de groei leiden. Een goede kandidaat vonden zij in een promotor die een gensequentie bevatte voor een gibbereline-oxidase (ZmGA2ox). De toevoeging daarvan voor het PLA1-gen leverde een nieuw fenotype op, met in de delingszone verhoogde gehaltes aan auxines, belangrijke plantengroeihormonen.

‘Het PLA1-gen simpelweg tot overexpressie brengen volstaat dus niet’, benadrukt Nelissen. Achter een ubiquitine-promotor gaf overexpressie afwijkende slappe planten die nooit tot vruchtzetting kwamen.

Volgens Inzé is dat de belangrijkste les die plantenveredelaars uit dit onderzoek kunnen leren. ‘We hebben jarenlang genetische kennis opgebouwd van de groeiprocessen van dit gewas, wat ervoor zorgde dat wij heel gericht konden zoeken. Bij een meer grove screening van zaailingen of hele scheuten waren de subtiele effecten van deze genen en de gewenste promotor nooit naar voren gekomen.’

Tweaken en finetunen

‘De plantenveredeling zal het in de toekomst meer moeten zoeken in het tweaken en finetunen van genexpressies’, is de overtuiging van Nelissen. ‘Ons onderzoek toont aan dat er met zeer gerichte en kleine slimme aanpassingen nog veel te winnen is.’

Welke rol het product van ZmPLA1, een cytochroomP450-eiwit, in de maïsplant precies speelt, is de onderzoekers nog niet helemaal duidelijk. In elk geval leidt overexpressie tot toename in activiteit van genen die de productie van auxines aansturen, waardoor de delende cellen in het blad en vruchtbeginsel langer actief zijn.

Toekomst

Inzé verwacht dat zaadveredelingsbedrijven deze ontdekking op termijn zullen inbouwen in hun commerciële maishybrides, maar dat het nog zeker tien tot vijftien jaar duurt eer zulke rassen op de markt zijn. De VIB-onderzoekers hebben inmiddels nog enkele andere groeigenen op de korrel, waarvan zij vermoeden dat aangepaste expressie de productiviteit van maïs of van andere gewassen nog verder kan verbeteren.