breaking news: Nederlandse wetenschappers onthullen uiengenoom
Het duurde even, maar de volledige sequentie van het DNA van de ui is eindelijk ontsleuteld. De zestien miljard basen maken dat het uiengenoom maar liefst 5x meer informatie in zich draagt dan dat van een mens. De deur naar een schatkamer vol waardevolle genetische informatie staat nu wagenwijd open.
Wetenschappers en onderzoekers zijn voortaan in staat om de positie van tot nu toe verborgen eigenschappen in het DNA van de ui te vinden. Het wordt nu bijvoorbeeld versneld mogelijk om de samenhang tussen verwanten van de ui (zoals knoflook en prei) en andere bolgewassen op bepaalde eigenschappen te analyseren. Een prachtige stap voorwaarts op de weg naar duurzame voedselvoorziening in deze tijden van klimaatverandering en een alsmaar groeiende wereldbevolking. En dat alles dankzij het baanbrekende werk van een team vooraanstaande Nederlandse wetenschappers van Wageningen UR onder leiding van Dr. Ing. Richard Finkers en Dr. Ir. Olga Scholten.
Dr. Ing. Richard Finkers (WUR),
Researcher Genomics & Application Big Data met als expertise Plantenveredeling en Plantweerbaarheid.
Nummer 1
Voor Nederland heeft ui een hoge economische waarde, aangezien meer dan 90% van de geproduceerde uienbollen jaarrond wordt geëxporteerd naar meer dan 140 landen wereldwijd. In termen van wereldwijde productiewaarde staat ui op de tweede plaats na tomaat en qua volume zelfs met stip op nummer één. Kennis over het uiengenoom was echter schaars in vergelijking tot bijvoorbeeld de tomaat. Dit komt mede door de enorme omvang van het uiengenoom dat maar liefst 18x groter is dan dat van de tomaat en zelfs ruim 5x groter dan dat van een mens.
Maar wat is een genoom nu eigenlijk precies?
In simpel Nederlands is een genoom de samentrekking van de woorden gen en chromosoom. Dat betekent het geheel van de erfelijke informatie in een cel, opgeslagen in de chromosomen. Die zijn weer opgebouwd uit DNA, dat vervolgens kan worden omgezet in RNA, het basisscript voor de eiwitsynthese.
Vergelijk een genoom met een enorme dikke pil, een ontzagwekkend zwaar boek dat is geschreven in een alfabet van slechts vier letters: A, T, G en C. De chromosomen zijn de hoofdstukken en de genen zijn de woorden. Tussen de functionele genen door worden ook veel onzinnige woorden aangetroffen, of woorden waarvan we de betekenis en functie nu nog niet kennen. In het geval van de ui was die ogenschijnlijk waardeloze informatie wel 95%! Het doel van de beide Nederlandse wetenschappers Finkers en Scholten was om alle woorden, inclusief wat we momenteel aanzien voor onzin, in de juiste volgorde te zetten. Daarnaast moet elke paragraaf natuurlijk ook wel aan het juiste hoofdstuk (chromosoom) gekoppeld worden. Zo geformuleerd, lijkt het misschien niet een hele moeilijke opdracht, ware het niet dat het –in het geval van het uiengenoom– om zo’n 16 miljard letters ging. En dat is ongeveer 5 miljoen pagina’s, oftewel 4.000 dikke Statenbijbels vol geschreven! Ga daar maar eens aan staan.
Whole genome sequencing
En dat is precies waar Finkers en Scholten dus samen met hun collega's aan begonnen zijn, inmiddels 6 jaar geleden. Geruggesteund door het economisch belang van de ui voor Nederland werd de benodigde onderzoeksfinanciering door Hollandse zaadbedrijven Bejo, de Groot en Slot en het bedrijf GenomeScan en de Topsector T&U gerealiseerd en ondergebracht in een Publiek-Private Samenwerking onder de naam Sequon. En net als de collega’s in het menselijk genoomproject, zat de wind ook Finkers en Scholten flink mee doordat de technologie van het sequensen zich razendsnel verder ontwikkelde. In hun oorspronkelijke plannen wilden beide wetenschappers zich eigenlijk alleen concentreren op de ‘zinnige’ woorden in het DNA uienboek. Maar met de introductie van een nieuw type sequencer besloten ze zich te richten op het sequensen van het hele genoom.
Dr. Ir. Olga Scholten,
Researcher Allium met als expertise Genetica, Moleculaire veredeling, Plantenveredeling en Plantenziekten.
150.000 puzzelstukjes
Terwijl Finkers en Scholten eerst van plan waren elk stukje DNA afzonderlijk te isoleren en analyseren, konden ze het nu anders aanpakken. Door kortere stukjes basenparen te sequensen, kon er veel sneller ruwe DNA data worden gegenereerd. En hoe meer stukjes in kaart waren gebracht, des te vaker kwam het voor dat er overlap was met een ander stukje. Daarmee kregen Scholten en Finkers een soort gigantische legpuzzel van 150.000 puzzelstukjes, maar dankzij snellere computers lukte het om het belangrijkste deel in elkaar te passen.
Bijzondere setjes genen
Want alleen door de puzzel op de juiste volgorde te leggen, valt er pas te zien wat een ui nou echt tot een ui maakt. Veel van de genen zijn wel al bekend, omdat deze vrijwel in alle planten zitten zoals bladaanleg, waslaag, huidmondjes of fotosynthese. Maar juist die andere stukjes zijn het meest boeiend. Dat zijn vaak die bijzondere setjes genen die de smaak, kleur, geur of houdbaarheid bepalen of hoe de ene ui resistent is tegen een bepaalde plaag en de andere niet.
Mooie gift van Nederland
Nu deze informatie gepubliceerd is en daarmee openbaar beschikbaar is, kunnen onderzoekers wereldwijd gebruik gaan maken van deze data om te bestuderen waar welke genen liggen en hoe die te activeren, deactiveren of een extra boost te geven. Dat is een mooie gift van Nederland!
Drie stappen
Het ontcijferen van een volledig genoom bestaat uit 3 stappen; sequencen, assemblage en annotatie. Sequensen is het aflezen van de letters A, T, G en C uit het eerst in honderdduizenden stukjes geknipte DNA. Door toepassing van zogenaamde short read sequencing methodes konden langere lappen DNA-tekst tot wel 5.000 letters in een keer worden afgelezen. En dat was met name nuttig om de repetitieve regio’s van het genoom in kaart te brengen.
Vervolgens moesten dus al deze stukjes tekst weer in de goede volgorde aaneen worden geplakt. Dit ineen puzzelen bestaat voornamelijk uit het zoeken naar de repetitieve stukjes tekst en deze achter elkaar te plakken en dit proces voortdurend te herhalen tot steeds langere stukken tekst (zogenaamde scaffolds). Deze scaffolds worden vervolgens in de juiste oriëntatie aan een specifiek chromosoom toegewezen. Hieraan hebben ook Japanse onderzoekers een bijdrage geleverd. Nu heeft een mens 3,2 miljard basenparen die verdeeld worden over 23 chromosomen. Een ui heeft dus 5x zoveel basenparen die moeten worden gekoppeld aan slechts 8 chromosomen.
Wat betekent al deze DNA tekst nu eigenlijk precies?
Tijdens het annoteren van het genoom proberen wetenschappers de functie van de genen te achterhalen. Bijvoorbeeld door deze te vergelijken met de genen van andere gewassen, zoals de onderzoekers met knoflook hebben gedaan. Of in toekomstige projecten ze proberen uit te schakelen en dan te bestuderen welk effect dat heeft op de ontwikkeling van een uienplant.
Maar Finkers en Scholten hebben voor nu hun missie meer dan volbracht. Met hun baanbrekende werk kunnen onderzoekers volop aan de slag.
De genetische kaart van de ui is vanaf nu op https://www.oniongenome.wur.nl voor alle onderzoekers in de wereld vrij beschikbaar.
