Door RNA te manipuleren, kunnen planten dramatisch meer gewassen opleveren en wordt de droogtetolerantie verhoogd, rapporteren onderzoekers.
In de eerste tests verhoogde het toevoegen van een gen dat codeert voor een eiwit genaamd FTO aan zowel rijst- als aardappelplanten hun opbrengst met 50% in veldtesten.
De planten werden significant groter, produceerden langere wortelstelsels en waren beter bestand tegen droogtestress. Analyse toonde ook aan dat de planten hun snelheid van fotosynthese hadden verhoogd.
"De verandering is echt dramatisch", zegt Chuan He, hoogleraar scheikunde, biochemie en moleculaire biologie aan de Universiteit van Chicago, die het onderzoek leidde met Guifang Jia, een professor aan de Universiteit van Peking. "Bovendien werkte het met bijna elk type plant waarmee we het tot nu toe hebben geprobeerd, en het is een heel eenvoudige wijziging om aan te brengen."
De onderzoekers zijn – samen met andere vooraanstaande experts – hoopvol over het potentieel van deze doorbraak, vooral in het licht van klimaatverandering en andere druk op gewassystemen wereldwijd.
"Dit biedt echt de mogelijkheid om fabrieken te bouwen om het ecosysteem mogelijk te verbeteren naarmate de opwarming van de aarde voortschrijdt", zegt hij. "We zijn voor veel, veel dingen afhankelijk van planten – van hout, voedsel en medicijnen tot bloemen en olie – en dit biedt mogelijk een manier om het voorraadmateriaal dat we uit de meeste planten kunnen halen, te vergroten."
"Dit is een zeer opwindende technologie en zou mogelijk kunnen helpen om problemen van armoede en voedselonzekerheid op wereldschaal aan te pakken – en zou mogelijk ook nuttig kunnen zijn bij het reageren op klimaatverandering", zegt Michael Kremer, een professor in economie en de Harris School of Public Beleid aan de Universiteit van Chicago en ontvanger van een Nobelprijs voor zijn werk aan het verlichten van wereldwijde armoede
Opbrengst op het veld verhogen
Decennialang hebben wetenschappers gewerkt aan het stimuleren van de gewasproductie in het licht van een steeds onstabieler klimaat en een groeiende wereldbevolking. Maar dergelijke processen zijn meestal ingewikkeld en leiden vaak alleen tot incrementele veranderingen.
De manier waarop deze ontdekking tot stand kwam was heel anders.
Velen van ons herinneren zich RNA uit de biologie van de middelbare school, waar ons werd geleerd dat het RNA-molecuul DNA leest en vervolgens eiwitten maakt om taken uit te voeren. Maar in 2011 opende He's lab een heel nieuw onderzoeksgebied door de sleutels te ontdekken tot een andere manier waarop genen tot expressie worden gebracht in zoogdieren.
Het blijkt dat RNA de DNA-blauwdruk niet zomaar leest en blindelings uitvoert; de cel zelf kan ook regelen welke delen van de blauwdruk tot uiting komen. Het doet dit door chemische markers op RNA te plaatsen om te moduleren welke eiwitten worden gemaakt en hoeveel.
Hij en zijn collega's realiseerden zich meteen dat dit grote gevolgen had voor de biologie. Sindsdien hebben zijn team en anderen over de hele wereld geprobeerd ons begrip van het proces en wat het beïnvloedt bij dieren, planten en verschillende menselijke ziekten, uit te werken. Hij is bijvoorbeeld medeoprichter van een biotechbedrijf dat nu nieuwe geneesmiddelen tegen kanker ontwikkelt op basis van RNA-modificatie-eiwitten.
Grotere planten, meer planten
Hij en Guifang Jia, een voormalig postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Chicago en nu een universitair hoofddocent aan de Universiteit van Peking, begonnen zich af te vragen hoe het de plantenbiologie beïnvloedde.
Ze concentreerden zich op een eiwit genaamd FTO, het eerste bekende eiwit dat chemische markeringen op RNA wist, dat Jia vond als postdoctoraal onderzoeker in He's-groep aan de Universiteit van Chicago.
De wetenschappers wisten dat het op RNA werkte om de celgroei bij mensen en andere dieren te beïnvloeden, dus probeerden ze het gen ervoor in rijstplanten in te voegen – en keken toen met verbazing toe hoe de planten opstegen. "Ik denk dat we op dat moment allemaal beseften dat we iets speciaals aan het doen waren", zegt hij.
De rijstplanten groeiden onder laboratoriumomstandigheden drie keer meer rijst. Toen ze het in echte veldtesten uitprobeerden, groeiden de planten 50% meer massa en leverden ze 50% meer rijst op. Ze groeiden langere wortels, fotosynthetiseerden efficiënter en waren beter bestand tegen stress door droogte.
De wetenschappers herhaalden de experimenten met aardappelplanten, die deel uitmaken van een heel andere familie. De resultaten waren hetzelfde.
"Dat suggereerde een mate van universaliteit die buitengewoon opwindend was", zegt hij.
'Gloednieuwe aanpak' voor gewassen
Het kostte de wetenschappers meer tijd om te begrijpen hoe dit kon gebeuren. Verdere experimenten toonden aan dat FTO al vroeg in de ontwikkeling van de plant begon te werken, waardoor de totale hoeveelheid geproduceerde biomassa toenam.
De wetenschappers denken dat FTO een proces controleert dat bekend staat als m6A, wat een belangrijke modificatie van RNA is. In dit scenario werkt FTO door m6A-RNA te wissen om enkele signalen te dempen die planten vertellen dat ze moeten vertragen en de groei moeten verminderen. Stel je een weg voor met veel stoplichten; als wetenschappers de rode lichten verdoezelen en de groene verlaten, kunnen er steeds meer auto's langs de weg rijden.
Over het algemeen produceerden de gemodificeerde planten significant meer RNA dan controleplanten.
Het proces dat in dit artikel wordt beschreven, omvat het gebruik van een dierlijk FTO-gen in een plant. Maar zodra wetenschappers dit groeimechanisme volledig begrijpen, denkt hij dat er alternatieve manieren kunnen zijn om hetzelfde effect te krijgen.
“Dit is een geheel nieuw type benadering, een die zou kunnen verschillen van genbewerking van GGO's en CRISPR; deze techniek stelt ons in staat om in een vroeg stadium van de ontwikkeling 'een knop om te zetten' in de planten, wat de voedselproductie van de plant blijft beïnvloeden, zelfs nadat we de knop hebben verwijderd”, zegt hij.
"Het lijkt erop dat planten deze reguleringslaag al hebben, en het enige wat we deden is er gebruik van maken. Dus de volgende stap zou zijn om te ontdekken hoe je dat kunt doen met behulp van de bestaande genetica van de plant.”
Samen met de universiteit en het Polsky Centre for Entrepreneurship and Innovation onderzoekt hij de mogelijkheden.
“Vroege veldstudies tonen aan dat het kan worden opgeschaald. We hopen samen te werken met de academische wereld en de industrie om deze biologie beter te begrijpen en deze nieuwe technologie veilig en breed toe te passen”, zegt hij.
Hij kan zich allerlei toepassingen voorstellen.
"Zelfs buiten voedsel zijn er nog andere gevolgen van klimaatverandering", zegt He. “Misschien kunnen we grassen ontwikkelen in bedreigde gebieden die bestand zijn tegen droogte. Misschien kunnen we een boom in het Midwesten leren om langere wortels te laten groeien, zodat hij minder snel omvalt tijdens sterke stormen. Er zijn zoveel potentiële toepassingen.”
Het onderzoek verschijnt in Nature Biotechnology .
Andere co-auteurs zijn van Guizhou University, Peking University en de University of Chicago. De National Natural Science Foundation of China, National Basic Research Program of China, Beijing Natural Science Foundation en EpiPlanta Biotech hebben het werk gefinancierd.
Bron: Universiteit van Chicago
De post- RNA-tweak leidt tot 50% meer voedsel uit gewassen verscheen eerst op Futurity .
