Wingerdstok geenredigering skakel ’n enkele geen ‘af’: ’n Plantbiotegnologie mylpaal in Afrika
Estimated reading time: 8 minutes
Die DNS van ’n stokkerige gewas is vir die eerste keer ooit suksesvol in Afrika aangepas met behulp van presisie wysigings aan die genetiese materiaal.
Hierdie mikpunt is bereik deur ’n span navorsers by die Universiteit Stellenbosch (US) en die Landbounavorsingsraad (LNR) wat CRISPR-tegnologie gebruik het om ’n enkele geen (VvDMR6.1) in wingerdstokplante ‘af te skakel’. Die tegnologie word deur wetenskaplikes as ’n instrument gebruik om DNS op spesifieke punte te ‘knip’ en aan te pas.
Siekte- en droogte weerstand
Dié geen hou verband met die wyse waarop hierdie plante op siektes reageer. Volgens die navorsingspan het hierdie wysiging die plante minder kwesbaar gemaak vir donsskimmel, ’n ernstige siekte wat wingerde wêreldwyd aantas. Die studiebevindings het onlangs in Plant Stress verskyn.
Plaas Media het enkele vrae oor die studie gehad wat soos volg deur die SU- en LNR-navorsingspan beantwoord is:
V: Hoe is die geen in die laboratorium aangepas? Is dit soortgelyk aan ’n geen of gene in ander houtagtige plantspesies wat weerstandbiedend is vir byvoorbeeld donsskimmel en droogte?
A: Anders as ’n weerstandsgeen is VvDMR6 beskryf as ’n vatbaarheidsgeen wat die plant meer vatbaar maak vir siektes soos donsskimmel. Die geen reguleer die vlakke van die streshormoon, salisielsuur, deur dit na ’n onaktiewe vorm af te breek. Dit funksioneer dus as ’n negatiewe reguleerder van die stresrepons.
Daar is reeds aangetoon dat verskeie patogene die meganisme van die DMR6-vatbaarheidsgeen benut om hul infeksie te inisieer en bevorder. Die tipe plantgeen help patogene soos skimmel (downy mildew) om die plant te besmet. Deur die invoeging van ’n presiese mutasie met behulp van CRISPR/Cas9, is die geen afgeskakel. Gevolglik kan die geen nie meer deur patogene uitgebuit word nie en maak dit die gemodifiseerde plante meer sensitief vir die waarneming van stres, wat hul in staat stel om vinniger daarop te reageer.
Die DMR6-geen is reeds in verskeie ander gewasspesies, soos tamatie, aartappel en sitrus, beskryf, en studies het aangetoon dat die suksesvolle inaktivering daarvan in ander gewasse lei tot verhoogde siekteweerstand en droogteverdraagsaamheid.
Genetiese ingenieurswese
Die onlangse studie toon hoe ’n enkele geteikende genetiese wysiging verskeie stresresponse in plante kan beïnvloed.
V: Kan genomiese wysiging van ’n DNS-sel ander DNS-selle in dieselfde plant, en selfs ander plante naby aan die plant, affekteer?
A: Die CRISPR/Cas9-tegnologie is hoogs spesifiek en is ontwerp om net die gewenste veranderinge in die geen van belang aan te bring. Die genoomwysigings word reeds op enkelsel stadium geïnduseer, waarna die selle met die mutasie vermeerder en ’n plant regenereer waarin al die selle gemodifiseer is. Hierdie genetiese veranderinge is beperk tot die spesifieke plant en kan nie plante naby aan die plant affekteer nie. Gene of DNS word nie tussen plante oorgedra nie, tensy hul gekruis word en nageslag produseer. Aangesien wingerdstokke vegetatief vermeerder word, is dit nie ’n wesenlike risiko nie.
“Ons kon deur die wysiging van ’n geen wat wingerdstokke meer kwesbaar vir siektes maak, hierdie kwesbaarheid verminder en tegelyk die plante se reaksie op watertekorte beïnvloed. Ons navorsing toon hoe moderne geen- of genoomwysigingstegnologie gebruik kan word om wingerdstokke meer bestand teen siektes en droogtes te maak,” sê die hoofnavorser, dr Manuela Campa van die Departement Genetika aan die US. “Dit verteenwoordig ’n stap vorentoe in die integrasie van moderne genoomwysigingsbenaderings in verbeteringsprogramme vir Afrika-gewasse, veral vir hoëwaarde-tuinbougewasse soos wingerde.”
Campa wys daarop dat wetenskaplikes die afgelope paar jaar al hoe meer genoomwysigingstegnieke soos CRISPR-tegnologie gebruik om sekere gene te wysig en plante meer siektebestand te maak.
V: Sal ’n houtagtige kommersiële plant soos boegoe wat deur sekere wingerdsiektes geraak word, ook hierby kan baat vind?
A: Die DMR6-geen is reeds in verskeie ander gewasspesies gekarakteriseer en toon ’n soortgelyke funksie in die regulering van stres- en siekte-respons. Dit impliseer dat ’n soortgelyke benadering in ’n plant soos boegoe gevolg kan word deur eers die homoloë geen te identifiseer en vervolgens CRISPR/Cas9-tegnologie te gebruik om dit doelgerig te wysig.
’n Onverwagse bevinding van die onlangse studie was die reaksie van die geneties gewysigde plante op watertekorte. Die plante het beter op droë toestande gereageer. Hulle waterhouvermoë het ook verbeter, wat daarop dui dat hulle dalk beter geskik is vir die ál droër toestande wat weens klimaatsverandering verwag word.
’n Tydige oplossing in veranderende toestande
Wingerdbou word deur beduidende uitdagings in die gesig gestaar omdat siekte-uitbrekings ná tydperke van omgewingstres toeneem. “Wingerdstokke verkeer onder toenemende druk weens siektes en veranderende omgewingstoestande, en dié druk sal na verwagting weens klimaatsverandering toeneem,” meen dr Campa. “Die mylpaal is ’n opwindende stap vorentoe, want dit dui daarop dat presiese wysigings aan plante aangebring kan word wat meer as een belangrike eienskap gelyktydig verbeter.”
V: Wat is die implikasies en kans dat ’n siekte soos donsskimmel mettertyd sal aanpas of slim raak om die spesifieke mutasie te omseil?
A: Die studie toon dat die gemodifiseerde plante meer sensitief is vir die waarneming van stres. Dit kom voor asof die plante stresseine meer effektief herken, wat hul meer ontvanklik maak en moontlik beter in staat stel om ’n breër reeks patogene en omgewingstoestande te hanteer.
Aangesien die DMR6-geen nie ’n klassieke weerstandsgeen is nie maar eerder ’n vatbaarheidsgeen, is dit nie ’n teiken wat patogene maklik kan oorbrug op dieselfde manier as ’n enkel weerstandsgeen nie. Deur hierdie geen te inaktiveer, verbeter ons dus die plant se natuurlike vermoë om stresseine waar te neem en daarop te reageer. Gevolglik kan hierdie tipe genetiese veranderinge moontlik lei tot ’n meer volhoubare vorm van weerstandigheid, en die tyd wat dit vir ’n patogeen sal neem om hierdie verandering te omseil kan aansienlik langer wees as in die geval van tradisionele weerstandsgene. Dit sluit egter nie die moontlikheid uit dat patogene mettertyd kan aanpas nie.
“Die tegnologie kanons help om druiwe volhoubaar te produseer soos wat toestande meer uitdagend raak,” sê dr Campa. “Hoewel genoomwysiging wyd op modelplante en verskeie gewasse wêreldwyd toegepas is, het die gebruik daarvan in stokkerige meerjarige spesies beperk gebly weens hul komplekse regenerasiestelsels en lang kweeksiklus.
V: Gaan dit ’n nuwe variëteit wees wat op die ou end in die mark beskikbaar gestel gaan word? En vir interessantheid – op watter wingerdvariëteit is die eksperiment gedoen?
A: Die genoomwysigings is tot dusver in ’n onderstok variëteit (Richter 110) aangebring, maar kan van hier af maklik oorgedra word na ander kultivars. Die studie toon dat CRISPR-geïnduseerde verandering in ’n wingerdstok effektief is en tot verbeterde siekte- en droogtebestand lei.
’n Belangrike aspek in die wingerdbedryf is om gesogte kultivar-identiteite te behou. CRISPR-tegnologie maak dit dus moontlik om doelgerigte veranderinge in spesifieke kultivars aan te bring, sonder om die genetiese agtergrond te verander. In terme van droogte- en omgewingstres kan dit moontlik positiewe implikasies vir beide die wingerdbou- en tafeldruifbedrywe inhou. Verdere studies is egter nodig om te bepaal of die verbeterde stres reaksie in die onderstok op enige wyse die bostok kan beïnvloed.
V: Waarom word houtagtige meerjarige spesies as kompleks beskou?
A: Houtagtige meerjarige gewasspesies is besonder kompleks, veral ten opsigte van transformasie en regenerasie, hoofsaaklik as gevolg van hul houtagtige aard en lang lewensiklus. Hierdie gewasse toon dikwels beperkte regenerasievermoë in weefselkultuur, en bly ’n groot uitdaging.
Verder het houtagtige gewasse soos wingerde ’n lang kweeksiklus, wat beteken dat plante eers na vyf tot tien jaar ’n volwasse fenotipe bereik. Dit impliseer dat genetiese veranderinge, seleksie en fenotipiese evaluering oor lang tydperke plaasvind. Met tradisionele teelmetodes kan dit tussen 20 tot 30 jaar neem om gewenste eienskappe suksesvol in ’n kultivar oor te dra. Gevolglik word funksionele genetiese studies en fenotipiese evaluasies aansienlik hierdeur bemoeilik. In hierdie konteks bied CRISPR/Cas9 ’n belangrike voordeel, aangesien dit die tydsraamwerk vir genetiese verbeteringe drasties kan verkort deur doelgerigte wysigings in gevestigde kultivars aan te bring.
Met die toename in omgewingstres, wat dikwels hand aan hand met patogeeninfeksies en siektes gaan, sal hierdie tegnologie toenemend van kritieke belang word vir ’n ekonomies-belangrike gewas soos wingerde.
V: Sal dit nodig wees om die geneties gewysigde plante in werklike toestande te evalueer? Hoe lyk die pad vorentoe?
A: Verdere studies is nodig. Tot dusver is die genetiese gewysigde plante slegs onder kweekhuistoestande geëvalueer, wat nie veldtoestande akkuraat weerspieël nie. Dit is dus noodsaaklik om die plante onder veldtoestande te toets en die impak van die genetiese wysigings op algehele stresweerstandigheid te bepaal.
Daar is in die studie van tradisionele transformasiemetodes gebruik gemaak om CRISPR/Cas9-tegnologie in die wingerdstokke in te bring en daarom word hierdie plante as transgenies beskou. Veldproewe sal slegs moontlik wees nadat ’n GGO-permit (geneties gemanipuleerde organismes) verkry is.
Daar is twee moontlike rigtings waarin hierdie studie kan voortgaan, mits voldoende befondsing beskikbaar is:
- Om die effek van hierdie gemodifiseerde onderstokke op die bostokke te toets, byvoorbeeld of dit droogteverdraagsaamheid of patogeenweerstand kan oordra.
- Om die genetiese wysigings op ’n DNS-vrye wyse te herhaal. In baie lande (en hopelik binnekort ook in Suid-Afrika) word sulke wysigings nie as GGO’s geklassifiseer nie, wat meer doeltreffende veldproewe en eksperimentele studies moontlik sal maak. DNS-vrye stelsels is reeds goed nagevors en word algemeen gebruik vir hierdie tipe studies, en kan hopelik maklik vir ons toepassing aangepas word. – Carin Venter, Plaas Media
Verdere navrae kan aan Clara Holm, Departement Genetika, Fakulteit Agri Wetenskappe, Universiteit Stellenbosch, gerig word by cholm@sun.ac.za.
