katrijn en laurens in de klimaatkamer

Nieuwe genetische technieken kunnen veredeling versnellen

In Gent stond iets meer dan veertig jaar geleden de wieg van de biotechnologie. Professoren Schell en Van Montagu ontdekten een mechanisme van genentransfer door Agrobacterium tumefaciens en konden zo nieuwe kenmerken inbouwen in planten. We spraken met twee van hun (intellectuele) nazaten: professor Laurens Pauwels van UGent en Katrijn Van Laere van ILVO, over de mogelijkheden van CRISPR-Cas, een verfijnde techniek om het genetisch materiaal van planten aan te passen.
Patrick Dieleman

Professor Laurens Pauwels is net gestart aan de faculteit Bio-ingenieurswetenschappen met de onderzoeksgroep ‘plantentransformatie en genbewerking’. Voorheen werkte hij meer dan 20 jaar bij het Vlaams Instituut voor Biotechnologie (VIB) met genome editing-technieken. Katrijn Van Laere is onderzoeker bij ILVO. Ze doctoreerde op veredeling van siergewassen en werkt nu onder meer mee aan de ontwikkeling van boomkwekerijcultivars die via Best Select geïntroduceerd worden. Een groot deel van haar tijd besteedt ze aan in vitro en moleculaire technieken die veredeling kunnen ondersteunen. “Los van de klassieke veredeling zijn dit ook veredelingstechnieken zoals ‘embryo rescue’ en polyploïdisatie (het verdubbelen van het aantal chromosomen). In 2017 zijn we bij ILVO begonnen met CRISPR-Cas (zie kader) bij aardappelen en cichorei, in samenwerking met het VIB. Nu werken we ook in een Europees project aan genome editing bij aardappelen en micro-algen. Bij aardappelen willen we de gevoeligheid voor het potato Y virus en Phythophthora verminderen."
 

Laurens en Katrijn

CRISPR-Cas

CRISPR's zijn sequenties in het DNA die een bacterie gebruikt om een virusinfectie te herkennen en af te weren. Samen met het enzyme Cas9 kunnen ze het genoom van een organisme gericht bewerken. Je kan het vergelijken met een schaartje dat het DNA op een heel specifieke plaats kan ‘knippen’ waardoor een gen inactief wordt of een gewijzigde activiteit krijgt. Zo zijn er al appels en champignons ontwikkeld die niet meer bruin verkleuren omdat het DNA dat de eigenschap voor bruinverkleuring codeert, kapot geknipt werd. Onderzoekers kunnen het schaartje eenvoudig aanpassen en specifiek maken voor elke gewenste knipplaats, zodat deze tool toelaat om heel gericht in te grijpen in het genoom van een plant. 

Onderzoek en veredeling versnellen

Volgens de Europese wetgeving zijn planten die met CRISPR-Cas ontwikkeld zijn, gelijkwaardig aan ggo’s (genetisch gemodificeerde organismen). De Europese regelgeving is heel restrictief voor het op de markt brengen van ggo-gewassen. Het gebruik is niet verboden in de EU, maar de toe te passen voorwaarden zijn zodanig complex dat het in de praktijk niet haalbaar is voor bedrijven om CRISPR-Cas-planten te vermarkten. Daarom wordt CRISPR-Cas vooral ingezet om onderzoek te versnellen. “We gebruiken de techniek om meer inzicht te krijgen in welke genen of combinaties van genen betrokken zijn bij bepaalde kenmerken. Eens we die kennen, kunnen we ook in natuurlijke populaties zoeken naar mutanten voor die specifieke genen. Nadien kunnen we daarmee gericht veredelen.”

Iets voor de sierteelt?

Laurens vertelt dat er bij zijn weten nog geen sierplanten op de markt zijn die met CRISPR-Cas veredeld zijn. Hij vermoedt dat er in landen waar dergelijke gewassen wel toegelaten zijn, al een en ander in de pipeline zit, maar het is een lang proces. Katrijn noemt als voorbeeld de cichorei zonder bitterstoffen die bij ILVO met CRISPR-Cas ontwikkeld is. “Deze mutanten kunnen nu dienen als pre-breeding materiaal in het verdere veredelingsproces.”
Katrijn ziet ook heel veel potentieel voor deze techniek in de veredeling van siergewassen. “Het grote voordeel van siergewassen is dat je ze klonaal kan vermeerderen en op de markt kan brengen zodra je een goeie plant hebt.” Bij sommige sierplanten, vooral houtige gewassen, verloopt het proces minder vlot. “Nadat je de CRISPR-elementen in de plantencellen hebt ingebracht, moet je daar een nieuwe plant uit regenereren. Bij sommige (houtige) sierplanten verloopt dit proces heel traag of helemaal niet. Dit is de grootste bottleneck. Het is zeker niet onmogelijk, maar het vergt soms heel veel moeite om de juiste groeicondities te vinden. En bij sommige genotypen werkt het simpelweg niet.” ILVO heeft al gewerkt met Petunia. Ook in de literatuur zijn veel voorbeelden te vinden van siergewassen waarbij CRISPR-Cas is toegepast om bloemmorfologie, bloeitijdstip, stress- en ziektegevoeligheid te verbeteren.
Laurens heeft veel gewerkt met mais en tarwe. “We weten ondertussen al heel goed hoe die regeneratie moleculair werkt en welke genen daarbij betrokken zijn. We willen die genen nu gebruiken om het regeneratieproces te stimuleren. Naast CRISPR-Cas-elementen zullen we ook een aantal extra genen aan de plantencel toevoegen om de regeneratie te bevorderen. Nadien moeten we die extra genen er weer uitkruisen, wat we nu al bijna standaard toepassen bij tarwe en mais. We willen dit ook doen bij dicotylen. Ik verwacht dat dit in de toekomst belangrijk zal worden, maar hiervoor is nog veel onderzoekswerk nodig. De genen die bij monocotylen een rol spelen in de regeneratie zijn totaal andere dan bij dicotylen.” 
Er zijn meerdere manieren om CRISPR-Cas-elementen in de plant te brengen. Laurens vertelt dat hij voornamelijk Agrobacterium gebruikt om CRISPR-Cas-elementen in de plantencel te brengen. Katrijn legt uit dat ze bij ILVO protoplasten gebruikten als startmateriaal om CRISPR-Cas toe te passen. Een protoplast is een cel die niet omgeven wordt door een celwand en die dus heel doorlaatbaar is voor vreemd DNA. “Je kan dat vergelijken met een vergiet waarbij je via de gaatjes plasmide-DNA of RNA kan binnenbrengen. De CRISPR-Cas-elementen veroorzaken een mutatie op een specifieke plaats in het genoom, maar zijn daarna niet meer actief. Dat heeft als voordeel dat je ze nadien niet hoeft uit te kruisen.” Laurens merkt op dat ILVO een van de weinige onderzoeksinstellingen is die die protoplastentechniek goed in de vingers heeft. 
Op de vraag of er interesse is van Vlaamse jongplantenbedrijven geeft Katrijn aan dat ILVO regelmatig benaderd wordt. “Het probleem is echter financiering te vinden voor nieuwe projecten. De huidige wetgeving bemoeilijkt dat en is momenteel nog een duidelijke rem, ook al krijgen we vaak vragen van siertelers over de mogelijkheden van CRISPR-Cas voor hun gewassen.” 
 

Laurens en Katrijn bij een proef met cichorei

Europese ggo-wetgeving

Het is dus wachten op vooruitgang in de nieuwe Europese wetgeving die al enkele jaren in voorbereiding is. Het valt me op dat mijn beide gesprekspartners goed op de hoogte zijn van de evolutie daarvan. Laurens vertelt dat er al veel stappen gezet zijn: “De Europese commissie is met een werkbaar voorstel gekomen. Het Europees parlement heeft een aantal amendementen ingediend en daarover gestemd. Het is nu aan de Europese raad om hierover te beslissen en eventueel verder bij te sturen.” Na die beslissing moeten de drie instanties tot overeenstemming komen, wat dan kan leiden tot nieuwe Europese wetgeving. Maar er zijn landen die zich hiertegen verzetten, waardoor een beslissing op de lange baan geschoven wordt. “Het hangt af van welk land de raad voorzit. Tot voor kort was dat België en dan is er zeker vooruitgang geboekt. Maar voor Hongarije, dat nu de raad voorzit, is het geen prioriteit.” Daarna is het de beurt aan Polen, maar het is onduidelijk wat zij gaan doen. Laurens verwacht dat er pas nadien weer vooruitgang zal geboekt worden onder het Deense voorzitterschap. Katrijn legt uit dat België wel aan een landenmeerderheid is geraakt, maar niet aan een bevolkingsmeerderheid. Polen is een van de landen dat overtuigd moet worden om die meerderheid te behalen. Ondertussen is het afwachten of het ontwerp niet in een negatieve richting evolueert. “Of een wetgeving werkbaar is of niet zit hem uiteindelijk in de details”, merkt Laurens op. “We moeten echt wachten op de finale tekst om te zien of het iets wordt waarmee we aan de slag kunnen.” 
De discussie over CRISPR-Cas gaat ook nog gepaard met een debat over patentrecht door het Europees parlement, hoewel dat juridisch losstaat van de ggo-wetgeving op zich. ILVO is betrokken bij een nieuw project: ‘Detective’ (detective-ngt.eu). “Binnen dit project werken we onder andere aan een database waarin alle informatie over New Genomic Technique-producten (NGT's) wordt samengebracht, om zo transparantie te bevorderen. Het project ontwikkelt ook analysemethoden.” Laurens vraagt zich af of bedrijven nog geïnteresseerd zullen zijn als de tracering te veel gaat kosten. Katrijn ziet het echter als een extra tool voor veredeling. “Deze nieuwe techniek is niet de enige oplossing, maar zou de gemiddelde veredelingsduur wel met een derde kunnen inkorten.”