Genetische manipulatie

Nieuws

Wat is genetische manipulatie?

GM-voedsel

Gentherapie

Biotech-industrie

Meningen

Links

Strijd en koorts

Het afweersysteem van planten lijkt op dat van zoogdieren, aldus moleculair bioloog prof.dr. Jeff Dangl. De betrokken genen liggen netjes in clusters. En ook planten krijgen koorts.

Door Marcel aan de Brugh

31 JULI 1999. WORTELBRAND, smeul, ringrot, neusrot, zwarte roest, aspergeroest, kafjesbruin, bladvlekkenziekte, meeldauw. Het aantal ziekten dat micro-organismen bij planten kunnen veroorzaken, loopt in de duizenden. Daarom klinkt het vreemd als prof.dr. Jeff Dangl zegt hoe goed planten zich kunnen verdedigen tegen virussen, bacteriën en schimmels. ``Neem bijvoorbeeld de waslaag op hun bladeren. Die is moeilijk doordringbaar. Planten werpen allerlei chemische en fysische barrières op. Ziekte is eerder uitzondering dan regel'', aldus de moleculair bioloog die verbonden is aan de University of North Carolina in Chapel Hill. Afgelopen maandag was Dangl de hoofdspreker tijdens het congres Molecular Plant-Microbe Interactions in de RAI in Amsterdam.

Volgens Dangl is er de laatste jaren ontzettend veel bekend geworden op zijn vakgebied. ``This field is happening'', zegt Dangl die vanwege een spierziekte aan een rolstoel gekluisterd is en zich overal begeleid weet door zijn vrouw. ``Het werk aan de modelplant Arabidopsis thaliana helpt daar flink bij. Volgend jaar zijn alle 50.000 genen van de zandraket in kaart gebracht.''

Dangl vestigde tien jaar geleden de aandacht op zich toen hij zich als eerste hardop afvroeg of er een vergelijking te trekken is tussen het afweersysteem van planten en dat van zoogdieren. Daar werd destijds lacherig op gereageerd. Bij dieren circuleren cellen van het afweersysteem door het lichaam. Als ze iets vreemds tegenkomen slaan ze alarm en komt er een afweerreactie op gang vanuit lymfoïde organen zoals de milt. Planten missen zo'n circulatiesysteem. Het begint met een lokale afweerreactie op de plaats van infectie. Vaak zorgt de plant dat een aantal cellen rondom de plaats van infectie zichzelf snel om zeep helpt. Cellen in de buurt gaan hun beschermende celwand verdikken. De lokale reactie leidt tot een systemische reactie waarbij de hele plant een tijdje beter bestand wordt tegen een ziekteverwekker. Die reactie houdt niet eindeloos aan, want hij vraagt handenvol energie. De plant moet ook nog groeien, bloeien en zaad maken.

Dangl kende de kritiek. Maar voor hem was het niet zo absurd om een parallel tussen dier en plant te trekken. Hij kwam uit de `dierenwereld', hij was gepromoveerd aan de Stanford Medical School waar hij structuur en functie van antilichamen bestudeerde. Antilichamen zijn door het lichaam zwervende moleculen die aan vreemde structuren binden en vervolgens een immuunreactie uitlokken. Ze vormen een belangrijk onderdeel van het dierlijk afweersysteem. Dangl wist dus hoe dat immuunsysteem werkt.

In 1984 maakte Dangl de switch naar de plantenwereld. ``Ik was op zoek naar een artikel over antilichamen, maar stuitte op een ander verhaal, over de verdediging van planten tegen pathogenen. Ik raakte geïnteresseerd en schreef een aanvraag om plantonderzoek te gaan doen aan het Max Planck Instituut in Keulen. Gaandeweg ontdekte ik overeenkomsten tussen het afweersysteem van dieren en planten.''

Gen-om-gen

In Keulen las hij over het werk van fytopatholoog Flor, die begin jaren zeventig bekend was geworden met zijn `gen-om-gen' hypothese. Die stelt dat de moleculaire oorlog tussen plant en pathogeen draait om het voortdurend veranderen van beperkte sets genen, zowel bij de ziekteverwekker als bij de plant. Een ziekteverwekker brengt steeds kleine wijzigingen aan in zijn virulentie-genen, die coderen voor de eiwitten die nodig zijn voor het infecteren van de plantencel. Eén ander aminozuur kan al voldoende zijn om een virulentie-eiwit een andere driedimensionale structuur te geven. Door de genen, en daardoor de eiwitten, voortdurend te veranderen, vergroot het virus de kans om tijdens die infectie onopgemerkt te blijven en zich te vermeningvuldigen.

Om zich daartegen te verdedigen brengt een plant, bij het aanmaken van nieuw zaad, veranderingen aan in de over te erven resistentie-genen. Die genen coderen voor eiwitten die zich binden aan de virulentie-eiwitten van de ziekteverwekker. Zo'n binding leidt via een moleculaire cascade tot de dood van de betreffende ziekteverwekker. De veranderingen die een plant in zijn resistentie-genen aanbrengt komen dus aan het licht bij zijn nakomelingen. In het voor hem gunstige geval zitten er een of meer nakomelingen bij die een resistentie-gen bezitten waarmee ze een een nieuw virulentie-eiwit herkennen. Zo gaat de evolutionaire strijd tussen plant en pathogeen eindeloos door.

Dangl bestudeerde in Keulen, en tegenwoordig in Chapel Hill, onder andere de moleculaire oorlog tussen de zandraket en Oomyceten, organismen die verwant zijn aan algen. Tot de Oomyceten behoren zo'n 700 soorten, waaronder Plasmopara viticola en Phytophtora infestans. P. viticola veroorzaakt meeldauw in druiven. De plantparasiet werd vorige eeuw uit Amerika per ongeluk overgebracht naar Frankrijk en maakte daar bijna een eind aan de Franse wijnindustrie. De ramp kon uiteindelijk gekeerd worden door het gebruik van een bestrijdingsmiddel. Het was de eerste keer dat zo'n middel werd gebruikt bij de bestrijding van een plantenziekte. P. infestans infecteert vooral aardappelen. In 1846 vernietigde de parasiet binnen een week bijna de hele aardappeloogst in Ierland, een regelrechte ramp voor het land dat voor de voedselvoorziening afhankelijk was van het gewas. P. infestans is nog steeds een serieuze plaag voor aardappelen. Dangl: ``Oomyceten zijn vindingrijk. Ze groeien tussen cellen, prikken cellen aan en zuigen daar nutriënten uit.''

Daarnaast bestudeert Dangl de reactie tussen de zandraket en Pseudomonas, een groep bacteriën die onder andere verwelking veroorzaken in tomaten, aardappelen en bananen. Uit al deze studies komen volgens Dangl duidelijk overeenkomsten naar voren tussen het afweersysteem van zoogdieren en planten. ``Als je bijvoorbeeld kijkt naar de manier waarop pathogenen hun gastheer infecteren, dan zie je parallellen tussen planten en dieren. Een ziekteverwekker spuit eerst eiwitten in een gastheercel. De eiwitten, meestal toxines, zijn bedoeld om allerlei cellulaire processen te verstoren waarna de ziekteverwekker zich ongestoord kan vermenigvuldigen. De manier waarop die overdracht gebeurt is evolutionair sterk geconserveerd.''

Ook de manier waarop planten zich verdedigen tegen ziekteverwekkers vertoont op moleculair niveau de nodige overeenkomst met die van zoogdieren. De genen die bij de afweer betrokken zijn, liggen bij zoogdieren netjes geclusterd. Dat is ook bij planten het geval. Volgens Dangl bevat het genoom van de zandraket vijf of zes van die clusters. Hij verwacht dat die clusters in totaal zo'n 200 tot 300 resistentie-genen bevatten. ``Een cluster bevat een familie van genen. Zo'n familie is vaak ontstaan uit één gen dat in de loop van de evolutie een aantal keren is gekopieerd. Binnen een familie lijken de genen erg veel op elkaar, maar ze zijn allemaal toch net iets verschillend omdat er mutaties in ontstaan. Genen kunnen onderling ook stukken uitwisselen, een proces dat recombinatie heet. Via recombinatie kan een plant een groot aantal verschillende resistentie-genen genereren. De coderende eiwitten kunnen allerlei verschillende structuren herkennen. Bij dieren gebeurt dat op een vergelijkbare manier.''

Verdedigingsreactie

De overeenkomst gaat nog verder. Zodra in een plantencel een resistentie-eiwit bindt aan een virulentie-eiwit, komt er een verdedigingsreactie op gang. Eiwitten geven signalen aan elkaar door in een soort moleculaire estafette. Dat zorgt er uiteindelijk voor dat er genen worden afgelezen en de coderende eiwitten doden de parasiet. ``Belangrijke signaalmoleculen zijn zuurstofmetabolieten, zoals superoxide en waterstofperoxide. Niet alleen bij planten, ook bij dieren'', aldus Dangl.

Twee belangrijke signaalmoleculen die de laatste jaren zijn ontmaskerd zijn salicylzuur en stikstofoxide. Na binding van een resistentie-eiwit aan een virulentie-eiwit gaat de cel stikstofoxide aanmaken. Dat bewerkstelligt dat salicylzuur zich gaat opstapelen waardoor de temperatuur in de plant stijgt. Ook een plant krijgt dus koorts (zie kader). Uiteindelijk leidt dat tot het aflezen van genen zoals PR-1. De coderende eiwitten beschermen de plant uiteindelijk tegen ziekteverwekkers.

Dangl geeft toe dat er ook verschillen zijn tussen plant en dier. Als een virus een dierlijke cel infecteert, worden de eiwitten van dat virus in stukken geknipt en op het oppervlak van de cel tentoongespreid. Dat gebeurt in planten niet. Zoogdieren hebben bovendien een specifiek immunologisch geheugen. Als een zoogdier wordt geïnfecteerd door een griepvirus ontstaan een geheugen tegen dat ene virus, maar niet tegen andere ziekteverwekkers. Planten kennen zo'n specifiek geheugen niet. Een afweerreactie tegen een bacterie kan ook bescherming bieden tegen bijvoorbeeld een schimmel. En zo zullen er meer verschillen aan het licht komen, naarmate er meer bekend wordt over het afweersysteem van planten. ``Toch biedt die parallel een goed uitgangspunt voor het onderzoek'', aldus Dangl.

De groep van Dangl werkt sinds kort samen met het farmaceutisch en chemisch bedrijf Novartis. Toch denkt hij niet dat het onderzoek aan resistentie-genen binnenkort tot bruikbare toepassingen leidt. ``It's early days. We weten nog te weinig over de interactie tussen micro-organismen en planten om het mechanisme te kunnen manipuleren. Maar met toepassingen hou ik me ook verder niet bezig. Ik probeer zo onpraktisch mogelijk te zijn. Harald Varmus, de directeur van het National Institute of Health, zegt altijd dat het onderzoek aan retrovirussen ook dertig jaar lang fundamenteel en onpraktisch is geweest. Maar toen verscheen opeens het aidsvirus.''

Koorts opnemen bij planten Ook planten krijgen koorts. En dat is te meten, zo melden biotechnologen van de Universiteit Gent in Nature Biotechnology (augustus 1999). Samen met Australische en Nederlandse onderzoekers ontwikkelden ze een methode om met een infrarood-camera temperatuurverhogingen in planten te meten. En dat blijkt een manier om planten die met virussen zijn geïnfecteerd vroegtijdig op te sporen, nog voordat die planten zichtbare schade hebben opgelopen. De biotechnologen voerden hun experimenten uit aan tabak (Nicotinia tabacum). In tabaksbladeren spoten ze lokaal kleine hoeveelheden van het tobacco mosaic virus (TMV). Het bladweefsel beschermt zich tegen het binnendringende virus door een zogeheten overgevoeligheidsreactie te starten. Die zorgt ervoor dat cellen in de buurt van het ingespoten virus sterven. Er ontstaan necrotische plekjes. Omliggende cellen verstevigen hun celwanden en werpen daarmee een extra barrière op voor de ziekteverwekker. Tijdens de overgevoeligheidsreactie ontstaat er salicylzuur dat zich opstapelt in de cel. Dat leidt tot een temperatuursverhoging. Cellen waarin dit gebeurt zijn zo'n 0,3 tot 0,4 °C warmer dan het omliggende weefsel. De temperatuursverhoging is volgens de onderzoekers het gevolg van een verandering in de transpiratie. Dat proces wordt geregeld via het openen en sluiten van de huidmondjes aan het bladoppervlak. En dat staat weer vooral onder controle van het hormoon abscisinezuur (ABA). Na infectie met TMV bleken bladcellen behalve salicylzuur ook ABA te gaan produceren. Zodra de bladtemperatuur begon te stijgen, namen de biotechnologen een afname van de transpiratie waar. De temperatuursverhoging kon trouwens al in een vroegtijdig stadium gemeten worden. Een stijging in temperatuur werd 39 uur na infectie gemeten. De eerste necrotische, lichtgroene plekken werden pas acht uur later zichtbaar. Volgens de auteurs opent dit de weg naar een ``non-destructieve, presymptomatische detectie van plantziekten''. Via infrarood remote sensing zouden geïnfecteerde planten op een akker snel opgespoord en verwijderd kunnen worden. Maar de werkzaamheid van deze methode moet nog aangetoond worden, aldus de onderzoekers. Daarnaast zou de techniek van pas kunnen komen bij het screenen op nieuwe, resistente rassen. Een plant die vatbaar is voor een ziekteverwekker start geen overgevoeligheidsreactie en bij zo'n plant doet zich dus ook geen temperatuursverhoging op de plaats van infectie voor. Bij resistente planten is dat wel het geval.