Gedurende duizenden jaren zijn tomaten tijdens de evolutie op natuurlijke wijze gemuteerd, en vervolgens hebben mensen de eigenschappen geselecteerd waaraan zij de voorkeur geven. Nu kan de CRISPR-technologie voor genoombewerking preciezere veranderingen bewerkstelligen. Onderzoekers van het Cold Spring Harbor Laboratory bestudeerden de voorspelbaarheid van het telen van tomaten met behulp van natuurlijke mutaties en door CRISPR geïnduceerde mutaties. Hun resultaten suggereren dat ‘achtergrondmutaties’ uit de evolutionaire en agrarische geschiedenis een aanzienlijke impact kunnen hebben op de uitkomst van kunstmatige mutaties. Dit benadrukt de noodzaak om deze achtergrondmutaties te begrijpen en in overweging te nemen bij de introductie van nieuwe genetische veranderingen.

Gedurende tienduizenden jaren heeft de evolutie de tomaat gevormd door middel van natuurlijke mutaties. Nadat mensen zich op het terrein van de tomatenteelt begaven, zijn ze eeuwenlang bezig geweest met het telen van tomaten en het selecteren van hun favoriete eigenschappen. Nu stelt de CRISPR-technologie voor genoombewerking ons in staat nieuwe gewasmutaties te creëren die de eigenschappen verder verbeteren. Geen enkele mutatie, natuurlijk of kunstmatig, werkt echter alleen.

Elke mutatie opereert binnen een zee van duizenden zogenaamde ‘achtergrondmutaties’. Deze veranderingen zijn het product van de evolutionaire en agrarische geschiedenis. Wat als slechts één mutatie de verwachte resultaten van een kunstmatige mutatie drastisch zou kunnen veranderen?

Nu hebben een plantengeneticus van het Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) en een computerwetenschapper samengewerkt om de voorspelbaarheid van natuurlijke en CRISPR-mutaties in de plantenveredeling te onderzoeken. Om dit te doen, hebben ze de evolutionaire klok teruggedraaid.

CSHL-professor en HHMI-onderzoeker Zachary Lippman en universitair hoofddocent David McCandlish wilden weten of verschillende natuurlijke en kunstmatige mutaties vergelijkbare effecten zouden hebben op de tomatengrootte, afhankelijk van de aanwezigheid van twee andere genetische mutaties. Ze gebruikten CRISPR-technologie om een ​​reeks mutaties in het SlCLV3-gen te creëren. (Het is bekend dat natuurlijke mutaties in dit gen de vruchtgrootte vergroten.) Vervolgens combineerden ze deze mutaties met mutaties in andere genen die met SlCLV3 werken.

Wetenschappers van Cold Spring Harbor Laboratory verzamelden meer dan 40 tomatenlijnen met natuurlijke en kunstmatige mutaties die de vruchtgrootte beïnvloeden. Deze soorten werden jarenlang gekweekt in verschillende gebieden, waaronder Florida en Cold Spring Harbor, New York. Afbeelding tegoed: Lipman Laboratory/Cold Spring Harbor Laboratory

In totaal creëerden ze 46 tomatenlijnen met verschillende combinaties van mutaties. Ze ontdekten dat de effecten van de SlCLV3-mutatie voorspelbaarder waren als bepaalde andere mutaties ook aanwezig waren. Mutaties in het ene gen zorgen voor voorspelbare veranderingen in de tomatengrootte, maar mutaties in een ander gen zorgen voor willekeurige resultaten. De meest gunstige effecten hadden met name te maken met twee mutaties die duizenden jaren geleden opkwamen en die centraal staan ​​in de domesticatie van tomaten.

Het nieuwe onderzoek van McCandlish en Lipman kan ons helpen de genetische voorspelbaarheid beter te begrijpen. Maar één ding is zeker. Bij de introductie van nieuwe gewasmutaties is de context van belang. Lipman legde uit:

"Kan genome editing snel voordelen opleveren voor de consument: betere smaak en voeding? Het antwoord is waarschijnlijk ja. De vraag is hoe voorspelbaar het zal zijn."

Verzameling tomaten met verschillende combinaties van kunstmatige en natuurlijke mutaties. Deze mutaties beïnvloeden het aantal stromules (of zaadzakken), wat resulteert in verschillende vruchtgroottes. Lyndsey Aguirre, afgestudeerd aan de CSHL School of Biological Sciences, leidt het project. Afbeelding tegoed: Lipman Laboratory/Cold Spring Harbor Laboratory

Het werk van McCandlish en Lipman suggereert dat de rol van achtergrondmutaties opnieuw moet worden beoordeeld. "Nu we meer technisch geavanceerde organismen gaan maken, zal het veld met dit probleem moeten worstelen", zei McCandlish. "Als je eenmaal 10, 20 mutaties gaat maken, kan de kans op onverwachte resultaten groter worden."

Het Boek der Evolutie is geschreven in een verscheidenheid aan talen, waarvan we er nog steeds veel leren. Plantengenetica en computationele biologie bieden twee manieren om de tekst te ontcijferen. Lipman en McCandlish hopen dat hun gezamenlijke interpretatie de wetenschap zal helpen de uitdaging aan te gaan. In de toekomst kan dit mensen ook helpen gewassen aan te passen aan de veranderende sociale behoeften.