Verschillen in DNA-modificaties volstaan voor hybride groeikracht

27 maart 2018

Lang is gedacht dat hybride groeikracht - het fenomeen dat nakomelingen van twee verschillende ouders voor een bepaalde eigenschap beter presteren dan de ouders - enkel het gevolg is van genetische verschillen tussen rassen. Recent onderzoek van onder meer UvA-biologen toont aan dat niet alleen de DNA-bouwstenen, maar ook de verschillen in hoeveelheid aanwezige chemische modificaties tot betere eigenschappen kunnen leiden. De resultaten zijn gepubliceerd in het laatste nummer van Plant Physiology.

Hybride groeikracht, ook wel heterosis genoemd, kent vele vormen. Het speelt een rol bij het optimaliseren van landbouwgewassen, maar ook bij het langer leven van huisdieren door het kruisen van verschillende rassen. Het optreden van heterosis werd lange tijd uitgelegd als een gunstig effect van het bijeenbrengen van twee enigszins verschillende genomen, waarbij de minder gunstige eigenschappen die aanwezig zijn in beide genomen door kruising gecompenseerd kunnen worden.

Twee rassen verschillen echter niet alleen in de volgorde van de DNA-bouwstenen, maar ook in de aanwezige chemische modificaties van het DNA, en de eiwitten die aan het DNA gebonden zijn (epigenetische modificaties). Eerder wetenschappelijk onderzoek liet al zien dat deze modificaties mogelijk ook een rol spelen bij het optreden van heterosis. Daarbij kon men echter geen onderscheid maken tussen de bijdrage van de genetische en de epigenetische verschillen tussen de ouderlijnen.

Speciale truc

In de recente studie van onder andere Kathrin Lauss, Rurika Oka en Maike Stam van het Swammerdam Institute of Life Sciences (UvA) werd met een speciale truc uitsluitend gekeken naar het effect van verschillen in DNA-methylatie op heterosis in de wetenschappelijk modelplant Arabidopsis. DNA-methylatie is het epigenetisch proces waarbij een methylgroep (basisstructuur -CH3) aan een DNA-molecuul wordt toegevoegd, met een verandering in de toegankelijkheid van het DNA voor cellulaire eiwitten tot gevolg. Het team identificeerde specifieke DNA regio’s die zowel verschillen in de hoeveelheid DNA-methylatie tussen de ouderlijnen, alsook een rol spelen in de geobserveerde heterosis in de nakomelingen. Deze regio’s bevatten meerdere genen die een mogelijk een rol spelen in heterosis.

Genoom-wijde data sets die in de studie worden gepresenteerd lieten daarnaast zien dat er in de hybride nakomelingen allerlei veranderingen in DNA-methylatie en genactiviteit optreden. Dit is zeer waarschijnlijk het gevolg van de verschillen in DNA-methylatie tussen de ouderlijnen. Concluderend laten de data zien dat lokale verschillen in DNA-methylatie tussen ouderlijnen een direct of indirect effect hebben op het optreden van heterosis. De data verschaft hiermee een beter inzicht in dit zeer complexe fenomeen.

Vervolgonderzoek

Het nieuwe inzicht dat verschillen in chemische modificaties voldoende kunnen zijn om heterosis te veroorzaken kan in de toekomst gebruikt worden om dit proces te sturen. Het kan wellicht een cruciale rol spelen in het verder optimaliseren van de opbrengst van gewassen en daarmee een bijdrage leveren aan de groeiende vraag naar voedsel. Vervolgonderzoek gaat in op de vraag of de epigenetische verschillen tussen de gevonden kandidaat-genen daadwerkelijk voldoende zijn om heterosis te bewerkstelligen. En ook zal verder gewerkt worden aan het ontrafelen van de mechanismen die ten grondslag liggen aan de veranderingen in DNA-methylatie in hybride nakomelingen: genoom-wijd, maar ook tussen specifieke uitvoeringen van genen.

Over dit onderzoek

Dit onderzoek is tot stand gekomen in samenwerking met René Wardenaar en Frank Johannes van de Rijksuniversiteit Groningen en de Technische Universiteit in Munich, alsook de groep van Joost Keurentjes aan de Universiteit van Wageningen. Onder leiding van Maike Stam is al het experimentele werk verricht en een deel van de data-analyse uitgevoerd. Onder leiding van Frank Johannes is het grootste deel van de data-analyse uitgevoerd. De fenotypische analyse van de planten is gedaan in een klimaat-gecontroleerde kamer met automatisch camerasysteem in Wageningen, met steun van de groep van Joost Keurentjes.

Publicatiegegevens

Kathrin Lauss, René Wardenaar, Rurika Oka, Marieke H. A. van Hulten, Victor Guryev, Joost J. B. Keurentjes, Maike Stam, Frank Johannes: 'Parental DNA Methylation States Are Associated with Heterosis in Epigenetic Hybrids' in Plant Physiology, Februari 2018. DOI: https://doi.org/10.1104/pp.17.01054

Gepubliceerd door  Faculteit Natuurwetenschappen, Wiskunde en Informatica