Pocket K Nr. 17: Genetische manipulatie en genetisch gemodificeerde gewassen

Pocket K Nr. 17: Genetische manipulatie en genetisch gemodificeerde gewassen

In de afgelopen 50 jaar heeft het gebied van de genetische manipulatie zich snel ontwikkeld als gevolg van een beter begrip van desoxyribonucleïnezuur (DNA) als de chemische dubbele helixcode waaruit genen zijn opgebouwd. De term genetische manipulatie wordt gebruikt om het proces te beschrijven waarbij de genetische opmaak van een organisme kan worden gewijzigd met behulp van “recombinant-DNA-technologie”. Hierbij worden laboratoriuminstrumenten gebruikt om stukjes DNA die een of meer interessante genen bevatten, in te brengen, te wijzigen of eruit te knippen.

Het ontwikkelen van plantenvariëteiten met goede agronomische eigenschappen is het uiteindelijke doel van plantenveredelaars. Bij de conventionele plantenveredeling is er echter weinig of geen garantie dat uit de miljoenen kruisingen die worden gegenereerd, een bepaalde gencombinatie wordt verkregen. Ongewenste genen kunnen samen met gewenste genen worden overgedragen; of, terwijl een gewenst gen wordt gewonnen, gaat een ander verloren omdat de genen van beide ouders worden gemengd en min of meer willekeurig opnieuw worden gesorteerd in de nakomelingen. Deze problemen beperken de verbeteringen die plantenveredelaars kunnen bereiken.

Gentechnologie daarentegen maakt de rechtstreekse overdracht mogelijk van één of slechts enkele genen van belang, tussen nauw of ver verwante organismen, om de gewenste agronomische eigenschap te verkrijgen (figuur 1). Niet bij alle genetische-engineeringtechnieken wordt DNA van andere organismen ingebracht. Planten kunnen ook worden gemodificeerd door hun eigen specifieke genen te verwijderen of uit te schakelen.

Bron: Agricultural Biotechnology (A Lot More than Just GM Crops). http://www.isaaa.org/resources/publications/agricultural_biotechnology/download/.

Genen zijn moleculen van DNA die coderen voor verschillende eigenschappen of kenmerken. Een bepaalde gensequentie is bijvoorbeeld verantwoordelijk voor de kleur van een bloem of het vermogen van een plant om een ziekte te bestrijden of in extreme omstandigheden te gedijen.

De eigen genetische ingenieur van de natuur

Het “delen” van DNA tussen levende vormen is goed gedocumenteerd als een natuurlijk verschijnsel. Al duizenden jaren worden genen van het ene organisme naar het andere overgebracht. Zo heeft Agrobacterium tumefaciens, een bodembacterie die bekend staat als “de genetische ingenieur van de natuur”, het natuurlijke vermogen om planten genetisch te manipuleren. Hij veroorzaakt de kroongalgziekte bij een groot aantal breedbladige planten, zoals appel, peer, perzik, kers, amandel, framboos en roos. De ziekte dankt haar naam aan de grote tumorachtige zwellingen (gallen) die zich meestal voordoen op de kruin van de plant, net boven het bodemniveau. In principe brengt de bacterie een deel van zijn DNA over op de plant, en dit DNA integreert zich in het genoom van de plant, wat leidt tot de productie van tumoren en daarmee gepaard gaande veranderingen in het metabolisme van de plant.

Toepassing van genetische manipulatie in de plantaardige produktie

Gentechnieken worden alleen gebruikt wanneer alle andere technieken zijn uitgeput, d.w.z.Dat wil zeggen wanneer het in te voeren kenmerk niet aanwezig is in de kiemplasma van het gewas; het kenmerk zeer moeilijk te verbeteren is met conventionele veredelingsmethoden; en wanneer het zeer veel tijd zal kosten om een dergelijk kenmerk met conventionele veredelingsmethoden in het gewas in te voeren en/of te verbeteren (zie figuur 2). Gewassen die door middel van gentechnologie zijn ontwikkeld, staan algemeen bekend als transgene gewassen of genetisch gemodificeerde (GM) gewassen.

De moderne plantenveredeling is een multidisciplinair en gecoördineerd proces waarbij een groot aantal hulpmiddelen en elementen van conventionele veredelingstechnieken, bio-informatica, moleculaire genetica, moleculaire biologie en genetische manipulatie worden gebruikt en geïntegreerd.

Ontwikkeling van transgene gewassen

Hoewel er bij genetische manipulatie een groot aantal uiteenlopende en complexe technieken komt kijken, zijn de basisprincipes redelijk eenvoudig. Er zijn vijf grote stappen in de ontwikkeling van een genetisch gemanipuleerd gewas. Maar voor elke stap is het van groot belang de biochemische en fysiologische werkingsmechanismen, de regulering van de genexpressie en de veiligheid van het gen en het te gebruiken genproduct te kennen. Zelfs voordat een genetisch gemanipuleerd gewas voor commercieel gebruik beschikbaar wordt gesteld, moet het aan strenge veiligheids- en risicobeoordelingsprocedures worden onderworpen.

De eerste stap is de extractie van DNA uit het organisme waarvan bekend is dat het de eigenschap van belang heeft. De tweede stap is het klonen van genen, waarbij het gen van interesse uit het hele geëxtraheerde DNA wordt geïsoleerd, gevolgd door massaproductie van het gekloonde gen in een gastheercel. Zodra het gekloond is, wordt het gen van belang ontworpen en verpakt zodat het gecontroleerd kan worden en op de juiste manier tot expressie kan komen in de gastheerplant. Het gewijzigde gen wordt dan in massa geproduceerd in een gastheercel om duizenden kopieën te maken. Wanneer het genpakket klaar is, kan het worden ingebracht in de cellen van de plant die wordt gemodificeerd via een proces dat transformatie wordt genoemd. De meest gebruikte methoden om het genpakket in plantencellen in te brengen zijn onder meer biolistische transformatie (met behulp van een genenkanon) of Agrobacterium-gemedieerde transformatie. Zodra het ingebrachte gen stabiel is, overgeërfd wordt en tot expressie komt in volgende generaties, wordt de plant als transgeen beschouwd. Backcross-veredeling is de laatste stap in het gentech-proces, waarbij het transgene gewas wordt gekruist met een variëteit die belangrijke agronomische eigenschappen bezit, en geselecteerd om planten van hoge kwaliteit te verkrijgen die het ingebrachte gen op de gewenste manier tot expressie brengen.

De tijd die nodig is om transgene planten te ontwikkelen, hangt af van het gen, de gewassoort, de beschikbare middelen en de wettelijke goedkeuring. Het kan 6-15 jaar duren voordat een nieuwe transgene hybride klaar is voor commerciële introductie.

Commercieel beschikbare gewassen die door middel van genetische manipulatie zijn verbeterd

Transgene gewassen worden al twintig jaar, vanaf 1996, in verschillende landen aangeplant. Ongeveer 191,7 miljoen hectare werd in 2018 beplant met transgene gewassen met een hoge marktwaarde, zoals herbicidetolerante soja, maïs, katoen en canola; insectenresistente maïs, katoen, aardappel en rijst; en virusresistente squash en papaya. Met genetische manipulatie kan meer dan één eigenschap in een plant worden ingebouwd of gestapeld. Transgene gewassen met gecombineerde eigenschappen zijn ook commercieel verkrijgbaar. Hiertoe behoren herbicidetolerante en insectenresistente maïs, sojabonen en katoen.

Nieuwe en toekomstige initiatieven op het gebied van genetische manipulatie van gewassen

Tot dusver hebben commerciële GM-gewassen voordelen opgeleverd voor de productie van gewassen, maar er zijn ook een aantal producten in de pijplijn die een meer directe bijdrage zullen leveren aan de voedselkwaliteit, milieuvoordelen, farmaceutische productie en non-foodgewassen. Voorbeelden van deze producten zijn: biotech-rijst met drievoudige stapeltrek en betere opbrengst bij abiotische stress, biotech-kastanjebomen die resistent zijn tegen kastanjeziekte, biotech-citrusgroenluisresistente citrusvruchten, aardappelen verrijkt met bètacaroteen, biofortified sorghum, bacteriële (Xanthomonas) verwelkingsziekte-resistente banaan, Bunchytop-virusresistente banaan, insectenresistente tarwe, enz.

• Landbouwkundige biotechnologie in Europa. 2003. Future Developments in Crop Biotechnology. Issuepaper 6. http://cms.daegu.ac.kr/sgpark/life&chemistry/future.pdf.
• DANIDA. 2002. Assessment of Potentials and Constraints for Development and Use of Plant Biotechnology in Relation to Plant Breeding and Crop Production in Developing Countries (Beoordeling van mogelijkheden en beperkingen voor de ontwikkeling en het gebruik van plantenbiotechnologie in verband met plantenveredeling en de productie van gewassen in ontwikkelingslanden). Ministerie van Buitenlandse Zaken, Denemarken.
• Desmond, S. and T. Nicholl. 1994. An Introduction to Genetic Engineering. Cambridge University Press.
• Giddings, G., G. Allison, D. Brooks, and A. Carter. 2000. Transgenic Plant as Factories for Biopharmaceuticals. Nature Biotechnology 18: 1151-1155.
• Goto, F., R. Yoshihara, N. Shigemoto, S. Toki, and F. Takaiwa. 1999. Iron Fortification of Rice Seed by the Soybean Ferritin Gene. Nature Biotechnology 17: 282-286.
• ISAAA. 2018. Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops: 2018. ISAAA Brief nr. 54. ISAAA: Ithaca, NY.
• Lopez-Bucio, J., O. M. de la Vega, A. Guevara-Garcia, and L. Herera-Estrella. 2000. Enhanced Phosphorous Uptake in Transgenic Tobacco Plants that Overproduce Citrate. Nature Biotechnology 18: 450-453.
• Robinson, C. 2001. Genetische modificatietechnologie en voedsel: Gezondheid en veiligheid van de consument. ILSI Europe Concise Monograph Series. http://www.ilsi.org/Europe/Publications/C2002Gen_Mod.pdf.
• University of Nebraska – Lincoln. 2015. Overview of Crops Genetic Engineering. http://passel.unl.edu/pages/informationmodule.php?
  idinformationmodule=957879329&topicorder=8&maxto=9.
• Ye, X., S. Al-Babili, A. Kloti, J. Zhang, P. Lucca, and I. Potrykus. 2000. Engineering the Provitamin A (b-carotene) Biosynthetic Pathway into (Carotinoid-Free) Rice Endosperm. Science 287(5451): 303-305..

*Updated March 2020