Zandraket (Arabidopsis thaliana)

Wanneer de vrouwelijke geslachtscellen in planten worden bevrucht, activeert een signaal van het sperma de celdeling en worden er nieuwe plantenzaden gevormd. Deze activering kan ook zonder bevruchting door mannelijke gameten (geslachtscellen) worden geactiveerd, zoals onderzoekers van de universiteit van Zürich aannemelijk hebben gemaakt. Daarin speelt een cycline, een eiwit dat de celcyclus reguleert, een belangrijke rol. Dit opent nieuwe wegen voor de ongeslachtelijke voortplanting van gecultiveerde planten, waardoor ingekweekte eigenschappen niet meer verloren gaan zoals bij geslachtelijke bevruchting.
Zaden vormen het eindproduct van de voortplanting van planten. Direct als voedsel of indirect als veevoer leveren ze ongeveer 80% van de calorieën voor de mens. Sinds de mens zijnhaar pijl en boog aan de wilgen hing, heeft zijhij in de loop van vele jaren talloze plantenvariëteiten gekweekt met voor de mens gunstige eigenschappen zoals hogere opbrengsten, kwaliteitsverbeteringen, resistentie tegen ongedierte en tolerantie voor omgevingsinvloeden. Waar mogelijk maakt de landbouw gebruik van hybride rassen, die ontstaan ​​door het kruisen van twee kweeklijnen en die veerkrachtiger en productiever zijn dan samenstellende rassen. Het probleem is dat wanneer ze zich vermenigvuldigen, deze ingekweekte eigenschappen weer verloren kunnen gaan.

Een oplossing van dat probleem zou de ongeslachtelijke voortplanting (apomixis of apomixie) zijn. Als je de bevruchting van vrouwelijke geslachtscellen door mannelijk sperma vermijdt, ontstaan er zaden die genetisch identiek zijn aan de moederplant met al haar fraaie, ingekweekte eigenschappen. Plantenvariëteiten met gewenste eigenschappen zouden veel gemakkelijker kunnen worden vermeerderd – als zaadklonen.
Een groep rond Ueli Grossniklaus van het Instituut voor Planten- en Microbiologie van de Universiteit van Zürich (UZH) is nu een stuk dichter bij dit doel gekomen. “In de modelplant, de zandraket, ontdekten we het signaal dat tijdens de bevruchting de vrouwelijke kiemcel activeert om een ​​nieuw zaadje te vormen”, zegt Grossniklaus.
In planten vinden twee bevruchtingsprocessen plaats: twee spermacellen versmelten met een vrouwelijke kiemcel. Een zaadcel bevrucht de eicel, waaruit het embryo en uiteindelijk de volgende generatie wordt gevormd. De tweede versmelt met de centrale cel, die zich vormt tot het voedingsweefsel dat het embryo van voedingsstoffen voorziet. Samen ontwikkelen ze zich tot zaden. Om de bevruchting succesvol te laten verlopen, moeten sperma- en kiemcellen zich in dezelfde fase van de celcyclus bevinden.

Bekend was dat het sperma van de zandraket (Arabidopsis thaliana) zich in de voorbereidingsfase bevindt voor de celdeling. Zoals het team van Grossniklaus nu laat zien, bevindt de eicel zich ook in deze rusttoestand. De centrale cel daarentegen blijft steken in de voorgaande fase waarin het genetisch materiaal wordt verdubbeld om tweestrengig DNA op te leveren.
Terwijl het sperma en de eicel zich in dezelfde celcyclusfase bevinden, moet de centrale cel na de bevruchting eerst de DNA-synthese voltooien voordat de eerste deling kan beginnen.

Cycline

Een eiwit dat in de centrale cel niet volledig wordt afgebroken en dus nog steeds aanwezig is, is verantwoordelijk voor het stilleggen van de celcyclus. Wanneer het sperma de kiemcel bevrucht, introduceert het ook het eiwit cycline, dat de afbraak van het remmende eiwit activeert. Pas dan kan de centrale cel de DNA-duplicatie voltooien en doorgaan naar de volgende celcyclusfase.
“We hebben voor het eerst het moleculaire mechanisme ontcijferd van hoe het signaal van het sperma naar de vrouwelijke geslachtscel wordt overgebracht om de ‘slapende’ toestand ervan te doorbreken”, zegt de feitelijke hoofdauteur Sara Simonini. “Het geeft aan de centrale cel een signaal dat de bevruchting succesvol was en dat de celdeling nu kan plaatsvinden.”

Als de zandraket genetisch zo veranderd wordt dat de centrale cellen zelf het eiwit cycline aanmaken, dan kunnen de kiemcellen zich zelfs zonder bevruchting te delen, is de opvatting van de onderzoekers. Grossniklaus: “We kunnen dit proces nu gericht activeren zonder bevruchting. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor apomixis in gewassen, vooral in hybride variëteiten die veerkrachtiger zijn en hogere opbrengsten produceren dan normale varianten.”
Als ongeslachtelijke bevruchting in gewassen mogelijk is, dan zouden miljoenen kleine boeren in het mondiale zuiden voor het eerst toegang hebben tot hybride zaden die ze het seizoen daarop kunnen gebruiken voor een nieuwe oogst.

Bron: idw-online.de