Callusinductie: hoe een klompje plantencellen de basis legt voor kloonplanten en kweekmedicijnen
Wie een boom snoeit, ziet op de wond na verloop van tijd een bobbelige, kleurloze massa weefsel ontstaan: de plant dicht de beschadigde plek af met een soort littekenweefsel, ook wel eelt of callus genoemd. Dat natuurlijke herstelmechanisme is de basis van een techniek die in laboratoria over de hele wereld wordt gebruikt: callusinductie. Onderzoekers wekken bewust zo'n ongeorganiseerde celklomp op bij een stukje plantenweefsel, niet om een wond te helen, maar als startpunt voor iets nieuws: een compleet nieuwe plant, of een fabriekje van waardevolle plantstoffen in een kweekvat.
Het bijzondere aan plantencellen is dat veel van hen, in tegenstelling tot de meeste dierlijke cellen, hun specialisatie kunnen "vergeten" en terugkeren naar een soort onbeschreven-blad-status. Vanuit die ongedifferentieerde callus kan een plantencel in theorie weer alles worden: een wortel, een blad, of via een omweg een hele nieuwe plant. Die eigenschap maakt callusinductie tot een onmisbare bouwsteen voor technieken die je pas als toekomsttechnologie herkent: het genetisch aanpassen van gewassen met CRISPR, het razendsnel klonen van planten, en het kweken van medicijnen of kleurstoffen zonder er een akker voor te gebruiken.
Wat is het precies?
Het proces begint met een explant: een klein stukje plantenweefsel, bijvoorbeeld een blaadje, een stukje wortel of een stengelsegment. Dat stukje wordt eerst ontsmet en vervolgens onder steriele omstandigheden op een voedingsbodem gelegd. Die voedingsbodem is meestal een variant van het zogeheten MS-medium, genoemd naar de onderzoekers Toshio Murashige en Folke Skoog, die dit recept in 1962 publiceerden. Het bevat suikers, mineralen, vitamines en, cruciaal, plantenhormonen.
Twee groepen hormonen bepalen wat er gebeurt: auxines (zoals de stoffen 2,4-D en NAA) en cytokinines (zoals BAP en kinetine). Door de verhouding tussen deze twee groepen te veranderen, kunnen onderzoekers het gedrag van de cellen sturen. Een hoge auxine-concentratie in verhouding tot cytokinine zet cellen meestal aan tot dedifferentiatie: ze verliezen hun specialisatie en beginnen ongeorganiseerd te delen. Binnen enkele weken groeit het explant zo uit tot een zachte, meestal witgele klomp cellen zonder duidelijke structuur, de callus.
Die callus wordt vervolgens regelmatig overgezet naar verse voedingsbodem, subcultiveren genoemd, om het weefsel gezond en groeiend te houden. Vanaf hier zijn er twee hoofdroutes. Bij de eerste route verandert men de hormoonbalans opnieuw, waardoor de callus via organogenese (het vormen van organen zoals scheuten en wortels) of somatische embryogenese (het vormen van embryo-achtige structuren) uitgroeit tot complete, kleine plantjes die je later kunt uitplanten. Bij de tweede route laat men de callus juist ongeorganiseerd doorgroeien, vaak als losse cellen in een vloeibare voedingsbodem in een bioreactor, een gesloten kweekvat waarin temperatuur, zuurstof en voedingsstoffen nauwkeurig geregeld worden.
Wat wil men ermee bereiken?
Het eerste en oudste doel is micropropagatie: het razendsnel vermeerderen van genetisch identieke, ziektevrije planten. Waar een kweker met stekken of zaad maar een beperkt aantal nieuwe planten per jaar krijgt, kunnen uit één stukje weefsel in een laboratorium in korte tijd duizenden identieke plantjes ontstaan.
Een tweede, actueler doel is dat callus dient als tussenstap bij genetische modificatie. Bij veel technieken om nieuw genetisch materiaal in een gewas te brengen, waaronder CRISPR-gentechnieken, wordt eerst DNA ingebracht in cellen van een callus. Alleen uit die veranderde cellen laat men vervolgens weer een complete plant regenereren, die de gewenste eigenschap doorgeeft aan zijn nakomelingen.
Een derde doel is het produceren van waardevolle plantstoffen zonder dat daar landbouwgrond voor nodig is: denk aan geneesmiddelen, kleurstoffen of smaakstoffen die van nature slechts in kleine hoeveelheden in wilde of langzaam groeiende planten voorkomen. Door de cellen die deze stoffen aanmaken in een bioreactor te kweken, hoopt men op een stabielere, schaalbare en minder milieubelastende productie. Daarnaast gebruikt men callusinductie voor het behoud van zeldzame of bedreigde plantensoorten, en voor fundamenteel onderzoek naar hoe plantencellen zich ontwikkelen en specialiseren.
Voorbeelden uit de praktijk
De publicatie van het MS-medium door Murashige en Skoog in 1962 wordt algemeen gezien als het fundament van de moderne plantenweefselkweek; vrijwel elk protocol dat sindsdien is ontwikkeld, bouwt voort op die basisreceptuur.
Een bekend commercieel voorbeeld is de productie van taxol, een stof die wordt gebruikt in kankermedicijnen en van nature voorkomt in de bast van taxusbomen. Omdat het oogsten van bast traag is en bomen beschadigt, ontwikkelden bedrijven als Phyton Biotech begin jaren 2000 methoden om taxol te winnen uit plantencellen die in bioreactoren worden gekweekt, als aanvulling op en gedeeltelijk alternatief voor de traditionele winning.
Een minder succesvol, maar leerzaam voorbeeld is de grootschalige kloning van oliepalmen in Zuidoost-Azië via weefselkweek. Vanaf de jaren negentig ontdekten telers dat een deel van de gekloneerde palmen misvormde, minder productieve vruchten kreeg, het zogeheten "mantled"-fenotype. Pas rond 2015 wisten onderzoekers, met publicaties onder meer in het tijdschrift Nature, het onderliggende mechanisme grotendeels te verklaren: een epigenetische verandering, dat wil zeggen een verandering in hoe genen worden afgelezen zonder dat de DNA-code zelf verandert, die tijdens de langdurige weefselkweek kon optreden.
Op kleinere, alledaagse schaal wordt callusinductie al decennia gebruikt in de commerciële sierteelt, bijvoorbeeld voor de massale vermeerdering van orchideeën en, in de tropische landbouw, van bananen en plantains, waar ziektevrij uitgangsmateriaal cruciaal is. Tot slot vormt callus tegenwoordig in veel laboratoria wereldwijd de tussenstap bij het ontwikkelen van CRISPR-gemodificeerde gewassen zoals rijst en tarwe, waarbij veranderde cellen na selectie weer tot volwaardige planten worden opgekweekt.
Hoe ver is de techniek?
Callusinductie zelf is geen nieuwe toekomsttechnologie, maar een gevestigde labtechniek van meer dan zestig jaar oud die inmiddels routine is in duizenden laboratoria en commerciële kwekerijen. Wat wél nieuw en in ontwikkeling is, zijn de toepassingen die er tegenwoordig op voortbouwen, zoals CRISPR-gewassen en het kweken van plantstoffen als alternatief voor traditionele teelt.
De techniek kent nog steeds duidelijke obstakels. Niet elke plantensoort laat zich even makkelijk regenereren uit callus; vooral houtige gewassen en veel eenzaadlobbige planten, zoals granen, gelden als recalcitrant, moeilijk te sturen naar een complete plant. Daarnaast blijft somaclonale variatie, ongewenste genetische of epigenetische veranderingen die tijdens langdurige weefselkweek kunnen optreden, een risico, zoals het oliepalmvoorbeeld liet zien. Opschaling naar bioreactoren voor de productie van plantstoffen is bovendien kostbaar, en protocollen die voor de ene soort goed werken, moeten voor iedere andere soort vaak opnieuw en met veel vallen en opstaan worden ontwikkeld.
Wie werken eraan?
In Nederland is Wageningen University & Research een van de belangrijkste centra voor onderzoek naar plantenveredeling en weefselkweek, mede dankzij de sterke Nederlandse tuinbouwsector. Rond die kennisinfrastructuur bestaat een omvangrijke commerciële weefselkweeksector die potplanten, bloembollen en orchideeën in grote aantallen vermeerdert voor de export.
Internationaal werken landbouwuniversiteiten en onderzoeksinstituten in onder meer de Verenigde Staten, China en Duitsland aan zowel de basistechniek als aan toepassingen in gentechgewassen. Bedrijven als Phyton Biotech zijn gespecialiseerd in het opschalen van plantcelkweek voor farmaceutische stoffen, terwijl talloze universitaire laboratoria wereldwijd callusinductie gebruiken als opstap naar CRISPR-gemodificeerde gewassen.