De uitdaging: tarwerassen die stabiele bakkwaliteit geven
De bakkwaliteit van tarwe wordt voor een belangrijk deel bepaald door de genetische samenstelling van het tarweras. Plantenveredelaars selecteren dan ook voor proteïnevarianten (allelen) die een hoge kwaliteit geven. Doch, de invloed van omgevingsfactoren op de kwaliteitseigenschappen van tarwe is groot. Zo beperken wisselvalige weersomstandigheden of een fluctuerend klimaat de stabiliteit van graanverwerkingseigenschappen. Dit maakt dat de kwaliteit van jaar tot jaar varieert.
Het selecteren voor een stabiele kwaliteit is geen eenvoudige opgave. Ten eerste is het ontwerpen en opzetten van een geschikte proefopstelling op zich al moeilijk. Daarbovenop is stabiliteit een complexe eigenschap die onder controle van vele genen staat.
Gezocht: genen voor een stabiele bakkwaliteit
Engelse onderzoekers kozen uit een experimentele kruisingspopulatie (tarwerassen Spark x Rialto) zeven tarwelijnen die genetisch divers waren en grote variaties vertoonden in functionele bloem-, deeg- en broodeigenschappen (proteïnegehalte, Hagberg-valgetal, SDS-sedimentatie volume, Farinograaf waterabsorptie, Kieffer rig reologie en broodvolume en –textuur). Deze zeven tarwes bleken het ideale uitgangsmateriaal te zijn om nieuwe genen op te sporen waarvan de activiteit in verband gebracht kon worden met kwaliteitseigenschappen èn waarvan de activiteit stabiel bleef over verschillende jaren en groeiomstandigheden heen. De zeven tarwelijnen vertoonden veel genetische verschillen maar hadden wel een uitgekozen hoogmoleculaire gluteninesubeenheden samenstelling, waarvan reeds geweten is dat ze noodzakelijk is voor een goede functionaliteit.
De zeven tarwe lijnen werden gedurende twee seizoenen en onder twee klimaattypes (koel en nat, heet en droog) opgegroeid. De functionele eigenschappen van deze tarwes werd, naast de genetische samenstelling duidelijk beïnvloed door de klimaatsomstandigheden. Dit wordt in Figuur 1 geïllustreerd voor broodvolume: lijn SR3 presteert over alle omstandigheden gezien het best en SR107 het slechtst, maar de prestatie van zowel SR3 als SR107 varieert van jaar tot jaar en van klimaattype tot klimaattype.
Figuur 1. Variaties in broodvolume bij zeven genetisch verschillende, experimentele tarwe lijnen (genotypes) gedurende twee seizoenen (2004 en 2005) en bij twee klimaattypes (koel & nat, heet & droog). (Bron: Wan et al., 2009).
Nu spoorden de onderzoekers bij deze zeven tarwe lijnen gedurende twee seizoenen, onder twee verschillende klimaattypes en bij twee korrelontwikkelingsstadia, kwaliteitsbepalende genen op met een stabiele activiteit (genexpressie). Hiervoor maakten ze gebruik van transcriptoom analyse technologie (Figuur 2). Zowat 468 genen vertoonden een stabiele expressie (en werden dus amper beïnvloed door variërende groeiomstandigheden) èn een correlatie met kwaliteitsparameters. Hiervan werden er 50 als interessante kandidaat genen voor stabiele kwaliteit bevonden (ondermeer op basis van hun DNA sequentie en daaruit volgend voorspelde functie).
Figuur 2. Transcriptoom analyse (DNA chip) van zeven tarwe lijnen (SR3 tot SR107) gedurende twee seizoenen, onder twee verschillende klimaattypes en bij twee korrelontwikkelingsstadia (8 experimentele condities per tarwelijn). De activiteit van de genen (de gemeten hoeveelheid mRNA transcripten) wordt met een kleur weergegeven: van rood voor heel actieve genen tot blauw voor zwak actieve genen. Merk enerzijds de stabiliteit van genactiviteit binnen tarwelijnen (bv. SR3 - zelfde kleur per kolom van 8 vakjes) en anderzijds de verschillen in genactiviteit tussen tarwelijnen (bv. patroon van SR3 versus SR41) op. (Bron: Wan et al., 2009).
Naar de praktijk: selectietools voor een stabiele bakkwaliteit
De gevonden relaties tussen de activiteit (het expressieniveau) van bepaalde genen en bepaalde kwaliteitseigenschappen bieden op zich mogelijkheden om in de tarweveredeling te selecteren op stabiele kwaliteitseigenschappen. Dit zal door de onderzoekers dan ook verder gevalideerd worden.
De onderzoekers trachtten echter nog betere merkers voor deze eigenschappen te ontwikkelen. Zo zochten en vonden zij voor een dertigtal van deze genen DNA sequentievarianten (allelen). Elf ervan vertoonden een sterke, rechtstreekse relatie met het expressieniveau en dus ook de eraan gekoppelde eigenschap. Met andere woorden, deze allelen kunnen als moleculaire merkers voor overeenkomstige eigenschappen beschouwd worden en makkelijk in de routine van het selectieproces ingeschakeld worden. Plantenveredelaars kunnen dus beginnen selecteren op deze allelen voor het ontwikkelen van tarwerassen met stabiele kwaliteitseigenschappen.
De onderzoekers plannen verder onderzoek om na te gaan of de DNA sequentievariatie rechtsreeks verantwoordelijk is voor gewijzigde expressieniveaus en of die op hun beurt rechtstreeks verantwoordelijk zijn voor een bepaalde kwaliteitseigenschap.
Nuttige Links
- Rothamsted Research, Wheat Crop Development and Improvement
- John Innes Centre, Department of Crop Genetics
- Hovis
- Syngenta Biotechnology Inc., Gene Expression Profiling
- Institute of Food Research, Food Structure and Health
- University of Reading, Crop Research Unit
- University of Bristol, Cereal Functional and Structural Genomics
Bron
Y. Wan, C. Underwood, G. Toole, P. Skeggs, T. Zhu, M. Leverington, S. Griffiths, T. Wheeler, M. Gooding, R. Poole, K.J. Edwards, S. Gezan, S. Welham, J. Snape, E.N.C. Mills, R.A.C. Mitchell and P. Shewry. A novel transcriptomic approach to identify candidate genes for grain quality traits in wheat. Plant Biotechnology Journal, 7, 401-410 (2009).
De pdf van dit artikel kan aangevraagd worden bij: Peter.Shewry@bbsrc.ac.uk
