Brassica crops make up a significant portion of our menu. There is considerable variation. Still, cauliflower, broccoli, brussels sprouts, red cabbage, white cabbage, pointed cabbage and kohlrabi are all variations of the same species, Brassica oleracea. How can there be such diversity within a single species?
The variation goes beyond the exterior. Content, such as vitamins, antioxidants and resilience against drought, cold and disease, also differ widely.
The genome, the genetic information as a whole, was already quite well-known, but how the variation within the genome related to the diversity in vegetables was unclear.
International collaboration
Researchers of Wageningen University & Research and the Chinese Academy of Agricultural Sciences in Beijing joined forces to determine the DNA sequence of 23 different cabbage crops and analysed these along with the existing genome data.
‘We constructed a so-called pan-genome: an overview of all the different genes within the various cole crops. We then went on to determine which genes occur in most of the crops and which are unique to a particular crop type’, says Guusje Bonnema, plant breeding researcher at Wageningen University & Research. In recent years, she has worked intensively on the research from the Netherlands with fellow researcher Chengcheng Cai.
The results were surprising: only one-third of the genes occur in all of the brassica crops, and half of the genes occur in only part of the crops and are absent in the rest.
‘B. oleracea has many genes. Cauliflower, for example, has some 60 thousand genes, compared to humans who have only 20 thousand. This is due to the fact that the genome tripled some fifteen million years ago, while the original genome was already sufficient to enable the plant to function successfully. We aim to understand what prompted the variation so that we can breed to create better varieties’, Bonnema clarifies.
Jumping genes
Over half of the genome is made up of transposons, which are small pieces of DNA that ‘jump around’ within the genome and, hence, may appear in any number of places within it. These transposons are known as “jumping genes” in the Netherlands. They have a bad reputation in humans for causing diseases such as haemophilia. In plants, however, they form a crucial source of natural variation. ‘We discovered that the transposons frequently regulate the activity of genes in their vicinity by increasing or decreasing the activity levels. Previously, we were looking for the uniquely defining genes that determine what makes a cauliflower a cauliflower. Now we know that you must find not only the genes but also their operators. The transposons, in this case. They are the on/off switches and regulators of the genes that are in their vicinity’, she says.
Genetic variation of cabbages. Illustration: Wilma Slegers
Breakthrough in insight
The fact that there is now a pan-genome (an overview of all the different genes in the species) available enables scientists to categorise the transposons and other variations in structure. ‘These transposons drive the genes’ activities, and not just the genes that determine the specific appearances of the various brassica vegetables, but also those that determine resistance, flavour and nutritional value as well as resilience against climate conditions. Cauliflower, for example, is very temperature-sensitive. Understanding the process behind this sensitivity facilitates breeding varieties that are less sensitive to temperature’, Bonnema explains.
‘This is a genuine breakthrough in insights. We were always focused on variations within the genes, but we now know that reality is much more subtle. Gene activity regulation has an enormous influence.’
Springende genen bepalen hoe een kool eruitziet
Een bloemkool en een spitskool verschillen genetisch meer van elkaar dan een mens en een chimpansee. Toch behoren ze tot dezelfde soort. Wageningse en Chinese onderzoekers brachten de enorme genetische variatie van de kolen in kaart. Meer kennis maakt het mogelijk om gerichter te veredelen, bijvoorbeeld op weerbaarheid tegen ziekten of een betere voedingswaarde. Wetenschappelijk tijdschrift Nature Genetics besteedt uitgebreid aandacht aan dit bijzondere onderzoek.
Koolgewassen vormen een belangrijk onderdeel van ons menu. De variatie is erg groot. Toch zijn bloemkool, broccoli, spruitjes, rode kool, witte kool, koolrabi en spitskool allemaal variaties van dezelfde soort, namelijk Brassica oleracea. Hoe is zo’n grote vormenrijkdom binnen één soort te verklaren?
En de variatie gaat verder dan de uiterlijke vorm. Ook de inhoudsstoffen (zoals vitamines en antioxidanten) of de weerbaarheid tegen droogte, koude en ziekten verschillen nogal.
Er was al behoorlijk veel zicht op het genoom (het geheel aan genetische informatie) van verschillende koolsoorten, maar onduidelijk was vooralsnog hoe die variatie in het genoom gerelateerd is aan die diversiteit in groentes.
Internationale samenwerking
Onderzoekers van Wageningen University & Research en de Chinese Academy of Agricultural Sciences Beijing hebben daarom de handen ineengeslagen. Ze hebben de DNA-volgorde van 23 verschillende koolgewassen bepaald en samen met al bestaande data geanalyseerd. “We hebben een zogenaamd pan-genoom geconstrueerd: dat is het overzicht van alle verschillende genen binnen de koolgewassen. Vervolgens hebben we bekeken welke van die genen in elk koolgewas voorkomen, welke voorkomen in het grootste deel en welke uniek zijn voor een bepaald gewas”, vertelt Guusje Bonnema, veredelingsonderzoeker bij Wageningen University & Research. De afgelopen jaren werkte zij vanuit Nederland samen met mede-onderzoeker ChengCheng Cai intensief aan het onderzoek. Dat gaf zeer verrassende resultaten: slechts één derde van de genen is aanwezig in alle koolgewassen. En de helft van al die de genen komt maar in een deel van de gewassen voor en is afwezig in de rest.
“Nu heeft Brassica wel erg veel genen. Bloemkool bijvoorbeeld zo’n 60.000 (de mens heeft er 20.000). Dat komt doordat het genoom vijftien miljoen jaar geleden is verdriedubbeld, terwijl het oorspronkelijke genoom al voldoende was om de plant goed te laten functioneren. We willen begrijpen waar de oorsprong van de variatie zit en vervolgens kun je daar mee experimenteren om betere rassen te krijgen”, vertelt Bonnema.
Springende genen
Een opmerkelijk detail is dat meer dan de helft van het genoom bestaat uit transposons. Dat zijn kleine stukjes DNA die ‘rondspringen’ in het genoom. Ze kunnen dus op allerlei verschillende plekken voorkomen. In het Nederlands worden ze ‘springende genen’ genoemd. Bij de mensen hebben ze een slechte naam omdat ze de oorzaak zijn van ziekten zoals hemofilie. Bij planten ligt dat anders, daar zijn ze een belangrijke bron van natuurlijke variatie.
“We hebben nu ontdekt dat die transposons vaak de activiteit van nabijgelegen genen regelen. Ze vergroten of verkleinen hun activiteit. Voorheen gingen we bij de vraag ‘wat maakt de bloemkool tot bloemkool’ op zoek naar de bepalende genen voor die specifieke vorm: een compact bloemgestel dat niet uitgroeit. Maar nu weten we dat je niet alleen de genen in beeld moet hebben, maar zeker ook de bediening daarvan. De transposons dus. Ze zijn de aan/uit-knoppen en de dimmers van de genen waarbij ze in de buurt liggen”, vertelt ze.
Doorbraak in het inzicht
Dat er nu een pan-genoom beschikbaar is, maakt het mogelijk om de transposons en andere structuurvariaties te categoriseren. “Ze zetten de genen harder of zachter aan. En dan niet alleen de genen die de specifieke vormen van de verschillende kolen bepalen. Ook de genen die resistenties bepalen of de voedingswaarde. En de weerbaarheid tegen klimaatomstandigheden. Bloemkool bijvoorbeeld is erg gevoelig voor temperatuur. Als je begrijpt hoe het proces gaat, kun je gemakkelijker sturen en tot rassen komen die minder temperatuurgevoelig zijn”, zegt Bonnema.
“Dit is werkelijk een doorbraak in de inzichten. We hadden het oog altijd gericht op de variaties binnen de genen. Nu weten we dat het veel subtieler gaat. Het reguleren van de activiteit van de genen heeft enorm veel invloed.”
Topics
Species
