Valeriana officinalis genome sequence reveals candidate genes for valerenic acid biosynthesis and flavonoid metabolism

Planten dienen al lang als de apotheek van de natuur, met verbindingen die de geest kunnen kalmeren of fysieke pijn kunnen verzachten. Onder deze planten heeft de valeriaan een bijzondere plaats in de menselijke geschiedenis ingenomen, gebruikt als een zacht kalmeringsmiddel om te helpen bij slaap en angst. Het geheim van het kalmerende effect ligt in een specifieke chemische stof genaamd valerenic acid (valeriaanzuur), die de plant in haar wortels produceert. Lange tijd begrepen wetenschappers hoe deze chemische stof werd opgebouwd uit basis ingrediënten binnen de plantencel, maar zij beschikten niet over een volledige kaart van de genetische instructies van de plant. Zonder deze kaart was het moeilijk om precies te weten welke genen verantwoordelijk waren voor het maken van de medicijn, hoeveel kopieën van die genen bestonden, of hoe de plant hun activiteit controleerde. Het ontrafelen van de volledige genetische code van een plant is als het lezen van de volledige handleiding van de plant; het onthult niet alleen de onderdelenlijst, maar ook hoe de onderdelen zijn georganiseerd en hoe ze samen kunnen werken om complexe eigenschappen te creëren.

Een team van onderzoekers heeft nu die handleiding voor de valeriaan geschreven. Door het volledige genoom van Valeriana officinalis te sequensen, hebben zij de eerste hoogwaardige genetische blauwdruk voor deze belangrijke medicinale soort gemaakt. De resulterende kaart is uitgestrekt en bevat ongeveer 3,3 miljard bouwstenen van genetische informatie, georganiseerd in een structuur die de complexe geschiedenis van de plant weerspiegelt. De onderzoekers ontdekten dat de specifieke valeriaanplant die zij bestudeerden vier sets chromosomen draagt, een genetische rangschikking die vaak leidt tot grotere en robuustere planten. Met deze nieuwe kaart in handen waren zij in staat om de exacte genen aan te wijzen die verantwoordelijk zijn voor de productie van valerenic acid, evenals de genen die andere nuttige verbindingen creëren zoals flavonoïden, die de bloemen hun roze en witte kleuren geven en antioxidatieve voordelen bieden.

De reis naar deze genetische kaart begon met een zorgvuldige blik op de cellen van de plant. Voordat ze zich in de complexe taak stortten om het DNA te lezen, moest het team het aantal chromosomen van de plant bevestigen, aangezien verschillende variëteiten van valeriaan een verschillend aantal kunnen hebben. Met behulp van worteltips van planten die in een gecontroleerde tuin werden gekweekt, onderzochten zij de cellen onder een microscoop en telden zij de chromosomen. Elke plant die zij controleerden had 28 chromosomen, wat bevestigde dat deze specifieke monsters tetraploïd waren, wat betekent dat ze vier volledige sets genetische instructies dragen. Dit detail was cruciaal omdat het de onderzoekers hielp de schaal van de gegevens die zij moesten verzamelen en hoe zij de uiteindelijke genetische sequentie moesten interpreteren, te begrijpen.

Om het genoom op te bouwen, extraheerde het team hoogwaardig DNA uit de jonge bladeren van de valeriaanplant. Zij gebruikten een moderne sequencing-technologie die lange strengen van genetische code leest, wat bijzonder nuttig is bij het in elkaar puzzelen van complexe genomen die veel herhaalde secties bevatten. De onderzoekers genereerden een enorme hoeveelheid gegevens en gebruikten vervolgens krachtige computeralgoritmen om deze lange fragmenten samen te voegen tot een continue sequentie. Zij vertrouwden niet op één enkele methode; in plaats daarvan combineerden zij de resultaten van verschillende assemblage-benaderingen om een definitieve versie te creëren die zowel compleet als zeer nauwkeurig was. Het resultaat was een genoomsequentie met een gemiddelde lengte van continue stukken die de 100 miljoen bouwstenen overschrijden, een detailniveau dat wetenschappers in staat stelt om de organisatie van genen met opmerkelijke helderheid te zien.

Met de geassembleerde kaart richtten de onderzoekers hun aandacht op de specifieke genen die verantwoordelijk zijn voor de medicinale eigenschappen van de plant. Ze begonnen met het pad dat valerenic acid creëert. Ze wisten uit eerdere studies dat het proces begint met een enzym dat een basis chemische bouwsteen in een ringstructuur draait, gevolgd door een reeks stappen waarbij zuurstofatomen worden toegevoegd om het uiteindelijke zuur te creëren. Met behulp van het nieuwe genoom zochten zij naar de genen die coderen voor deze enzymen. Ze vonden een grote familie van genen die in staat zijn de initiële draaiende stap uit te voeren, en zij identificeerden de specifieke genen die overeenkwamen met de bekende enzymen uit eerdere experimenten. Een van de meest interessante bevindingen was een cluster van genen die zich zeer dicht bij elkaar op het chromosoom bevinden. Deze cluster bevatte het gen voor het initiële draaiende enzym en het gen voor een belangrijk zuurstof-toevoegend enzym, die direct naast elkaar liggen in een compact gebied. Deze fysieke groepering suggereert dat de plant mogelijk geëvolueerd is om deze kritieke productiestappen bij elkaar te houden, zodat ze tegelijkertijd aan- en uitgezet kunnen worden om efficiënt de medicijn te maken.

Het team onderzocht ook de genen die verantwoordelijk zijn voor de kleurrijke bloemen en de antioxidatieve verbindingen van de plant. Valeriaanplant produceert flavonoïden, een groep chemicaliën waartoe pigmenten behoren zoals anthocyaninen, die de bloemen roze of paars kleuren. De onderzoekers identificeerden de volledige set genen die nodig is om deze pigmenten te bouwen, van de initiële stappen die de basisstructuur creëren tot de laatste stappen die sugermoleculen toevoegen om de kleur te stabiliseren. Zij vonden dat de plant over alle noodzakelijke genetische instrumenten beschikt om deze verbindingen te produceren, inclusief de regulerende genen die fungeren als schakelaars om de productie aan te zetten. De aanwezigheid van deze genen komt overeen met de visuele waarneming van de bloemen van de plant, die een scala aan roze en witte tinten vertonen. Bovendien merkte het team op dat, omdat de plant vier sets chromosomen heeft, veel van deze genen in meerdere kopieën voorkomen, wat de plant in staat zou kunnen stellen om hogere hoeveelheden van deze nuttige chemicaliën te produceren.

Deze nieuwe genetische bron biedt een solide fundament voor toekomstig onderzoek naar hoe de valeriaan haar medicinale verbindingen produceert. Door over de volledige lijst van genen te beschikken en te zien hoe zij zijn gerangschikt, kunnen wetenschappers nu experimenten ontwerpen om precies te testen hoe deze genen in de levende plant functioneren. Deze kennis zou uiteindelijk kunnen helpen bij het kweken van betere variëteiten van valeriaan die meer van de actieve ingrediënten produceren, of bij het ontwikkelen van nieuwe manieren om deze verbindingen voor medicinaal gebruik te vervaardigen. De studie beweert niet elk mysterie van de biologie van de valeriaan te hebben opgelost, maar het heeft de grootste barrière voor het begrijpen ervan weggenomen: het gebrek aan een genetische kaart. Met deze kaart is de weg vooruit om de unieke chemie van de plant te bestuderen duidelijk, wat hoop biedt op diepere inzichten in hoe de natuur haar meest effectieve remedies creëert.