Polyploïdie: wat extra chromosomensets kunnen betekenen voor voedsel, dieren en de toekomst
Elke cel in je lichaam draagt een dubbele set bouwinstructies: één pakket chromosomen (de dragers van je DNA) van je vader en één van je moeder. Biologen noemen dat diploïd — twee complete sets. Bij polyploïdie klopt die rekensom niet meer: een organisme heeft dan drie, vier, zes of zelfs meer volledige sets chromosomen in elke cel. Vergelijk het met een kookboek waar normaal twee identieke exemplaren van in de kast staan; bij polyploïdie liggen er ineens vier of zes kopieën, elk met dezelfde recepten, maar in veelvoud.
Dat klinkt exotisch, maar het is verrassend gewoon in de natuur en al decennia een gereedschap in de veredeling. De aardbei uit de supermarkt heeft acht sets chromosomen in plaats van twee, het brood dat je eet is gemaakt van tarwe met zes sets, en de pitloze watermeloen dankt het ontbreken van zaden aan bewust opgewekte polyploïdie. Wat ooit vooral een curiositeit in de plantenveredeling was, wordt nu ook onderzocht als route naar stressbestendiger gewassen, robuustere kweekvis en zelfs als aanknopingspunt om te begrijpen hoe organen als de lever zichzelf herstellen.
Wat is het precies?
Bij de meeste dieren en veel planten ontstaat een nieuw individu doordat twee geslachtscellen samensmelten. Die geslachtscellen zijn haploïd: ze bevatten maar één set chromosomen, de helft van het normale aantal, gemaakt via een speciaal soort celdeling die meiose heet. Smelten twee haploïde cellen samen, dan ontstaat weer een diploïde cel met twee sets. Bij polyploïdie gaat er ergens iets anders: er ontstaan bijvoorbeeld geslachtscellen die per ongeluk niet gehalveerd zijn (zogeheten onverminderde geslachtscellen), of een gewone celdeling verloopt fout, waardoor chromosomen wel verdubbelen maar de cel niet in tweeën splitst.
Dat laatste kan ook opzettelijk worden opgewekt met de stof colchicine, gewonnen uit de herfsttijloos, een gifplant. Colchicine remt de vorming van de deelspoel, het celstructuurtje dat chromosomen tijdens deling uit elkaar trekt. Zonder werkende deelspoel verdubbelen de chromosomen wel, maar blijft de cel intact als één cel met dubbel zoveel chromosomen. Deze truc wordt al sinds de jaren dertig van de vorige eeuw gebruikt om planten met opzet polyploïde te maken.
Er is een belangrijk onderscheid tussen twee soorten polyploïdie. Bij autopolyploïdie verdubbelen de chromosomensets van dezelfde soort, zodat je bijvoorbeeld van een diploïde plant een tetraploïde (viervoudige) variant krijgt. Bij allopolyploïdie combineert een organisme complete chromosomensets van twee verschillende, verwante soorten, meestal na een kruising. Broodtarwe is daar het bekendste voorbeeld van: het is ontstaan doordat in de evolutie chromosomensets van meerdere wilde grassoorten bij elkaar kwamen.
Een organisme met een oneven aantal chromosomensets, zoals een triploïde (drie sets), krijgt vaak te maken met onvruchtbaarheid. Tijdens de meiose moeten chromosomen zich netjes in paren opstellen om eerlijk verdeeld te worden over geslachtscellen; met een oneven aantal sets lukt dat eerlijk verdelen niet goed, waardoor er nauwelijks levensvatbare geslachtscellen ontstaan. Precies die steriliteit is, zoals verderop blijkt, in de praktijk vaak het hele punt.
Wat wil men ermee bereiken?
Een van de meest directe motieven is het gen-dosis-effect: met meer kopieën van hetzelfde gen kan een cel soms meer van bepaalde eiwitten aanmaken, wat vaak samengaat met grotere cellen en dus grotere vruchten, bladeren of knollen. Veel populaire fruitrassen zijn mede daarom polyploïde geselecteerd.
Een tweede doel is juist de onvruchtbaarheid die triploïdie oplevert. Zaadloze vruchten zoals watermeloen zijn aantrekkelijker voor consumenten, en in de visteelt voorkomt een steriele, triploïde kweekvis dat ontsnapte dieren zich voortplanten met wilde populaties of dat energie naar eicelproductie gaat in plaats van naar groei.
Allopolyploïdie heeft nog een derde functie: het herstelt vruchtbaarheid bij kruisingen tussen soorten. Een kruising tussen twee verschillende soorten is vaak zelf onvruchtbaar, juist omdat de chromosomen niet goed matchen tijdens de meiose. Door de chromosomensets van beide ouders te verdubbelen, krijgt elk chromosoom weer een geschikte partner om mee te paren, en wordt de hybride alsnog vruchtbaar. Zo zijn in de loop van de evolutie en door bewuste veredeling belangrijke gewassen ontstaan.
Onderzoekers hopen daarnaast dat extra genkopieën organismen veerkrachtiger maken tegen droogte, ziektes of extreme temperaturen, omdat een reservekopie van een gen kan invallen als een andere kopie beschadigd raakt. Los van de landbouw is er ook fundamenteel-biomedische interesse: levercellen worden van nature, zonder ingrijpen, in de loop van je leven deels polyploïde, en dat lijkt een rol te spelen bij het bijzondere regeneratievermogen van de lever. Dat maakt polyploïdie ook relevant voor onderzoek naar weefselherstel, los van landbouwtoepassingen.
Voorbeelden uit de praktijk
De pitloze watermeloen is wellicht het bekendste voorbeeld. De Japanse plantengeneticus Hitoshi Kihara ontwikkelde rond 1951 een methode waarbij hij met colchicine een tetraploïde (viervoudige) watermeloenplant maakte en die kruiste met een gewone diploïde plant. Het resultaat was een triploïde plant die wel vruchten draagt, maar vrijwel geen levensvatbare zaden vormt — de basis van de zaadloze watermeloenen die nu wereldwijd worden verkocht.
Broodtarwe (Triticum aestivum) is van nature hexaploïd: elke cel bevat zes sets chromosomen. Dat is duizenden jaren geleden ontstaan doordat wilde grassoorten in de natuur met elkaar kruisten en hun chromosomensets combineerden, dus door natuurlijke allopolyploïdie, lang voordat mensen aan veredeling begonnen.
Triticale is een kunstmatige kruising tussen tarwe (Triticum) en rogge (Secale), gemaakt om de opbrengst van tarwe te combineren met de winterhardheid van rogge. De eerste kruisingen waren onvruchtbaar, maar door de chromosomensets van de hybride te verdubbelen ontstond een vruchtbaar allopolyploïde gewas. De eerste commercieel bruikbare triticalerassen kwamen rond eind jaren zestig en begin jaren zeventig beschikbaar, onder meer in Canada, en het gewas wordt tegenwoordig nog altijd geteeld, vooral als veevoer.
Triploïde oesters worden sinds de jaren negentig commercieel gekweekt, mede dankzij Amerikaans onderzoek naar tetraploïde oesterlijnen waarmee betrouwbaar triploïde nakomelingen te produceren zijn. Omdat triploïde oesters vrijwel geen energie in voortplanting steken, blijven ze ook in de zomer, wanneer gewone oesters juist paaien en dus minder vlezig en romig zijn, het hele jaar door van goede kwaliteit.
Ook de gewone aardbei (Fragaria × ananassa) is een polyploïde-verhaal: deze octoploïde plant, met acht sets chromosomen, ontstond in de achttiende eeuw uit een kruising tussen twee Amerikaanse wilde aardbeisoorten die zelf al octoploïd waren. Dat toevallige begin vormt nog steeds de genetische basis van vrijwel alle moderne aardbeienrassen.
Hoe ver is de techniek?
Polyploïde veredeling in planten en aquacultuur is geen toekomsttechnologie in de zin van iets nieuws: het is een bewezen, decennia oude praktijk die al breed wordt toegepast in de landbouw en visteelt. Wat wél volop in ontwikkeling is, is het gerichter en voorspelbaarder opwekken van polyploïdie, bijvoorbeeld met moderne gentechnologische methoden in plaats van de vrij grove colchicinebehandeling, en het toepassen van polyploïdie om gewassen doelbewust klimaatbestendiger te maken. Dat onderzoek bevindt zich grotendeels nog in het laboratorium- en proefveldstadium.
Een belangrijk obstakel is de onvoorspelbaarheid van geïnduceerde polyploïdie: niet elke behandelde plant of cel wordt netjes en stabiel polyploïde, en soms ontstaan cellen met een ongelijk, niet-veelvoudig aantal chromosomen. Dat heet aneuploïdie, en dat is iets anders dan polyploïdie: waar polyploïdie een compleet extra veelvoud van chromosomensets betekent, is aneuploïdie juist een onbalans, met chromosomen te veel of te weinig. Aneuploïdie is bij mens en dier vaak schadelijk en wordt geassocieerd met ziektes, waaronder bepaalde vormen van kanker, wat verwarring tussen de twee begrippen ongewenst maakt.
Daarnaast kost het jaren om een nieuw polyploïde ras via kruising en terugkruising stabiel en landbouwkundig bruikbaar te krijgen, en spelen er in de Europese Unie regulatoire discussies over de vraag of met moderne gentechnieken opgewekte polyploïde gewassen onder de strenge ggo-regelgeving moeten vallen, ook al bestaat polyploïdie zelf al miljoenen jaren in de natuur.
Wie werken eraan?
In Nederland doet Wageningen University & Research onderzoek naar plantenveredeling waarin polyploïdie een rol speelt. In het Verenigd Koninkrijk richt het John Innes Centre zich onder meer op tarwegenetica en de genoomevolutie die tot moderne polyploïde graangewassen heeft geleid. In de Verenigde Staten combineert Rutgers University fundamenteel onderzoek naar polyploïdie bij oesters met toegepaste veredelingsprogramma's voor de schelpdierkweek, terwijl overheidsinstelling USDA-ARS eigen veredelingsprogramma's voor gewassen onderhoudt. Grote commerciële veredelaars zoals Corteva Agriscience en Bayer Crop Science passen polyploïde technieken toe in hun gewasontwikkeling. Los van de landbouw bestuderen diverse universitaire onderzoeksgroepen wereldwijd de natuurlijke polyploïdie van levercellen, in de hoop daarmee meer te leren over regeneratieve geneeskunde.