Tomato genomic regions and candidate genes linked to responses to a resistance inducer against Phytophthora infestans

In de wereld van de landbouw vertrouwen boeren al lang op chemische sprays om ziekten te stoppen die hun gewassen vernietigen. Een van de meest hardnekkige en schadelijke vijanden is een microscopisch organisme genaamd Phytophthora infestans, dat de aardappelziekte veroorzaakt. Dit pathogeen kan tomaten- en aardappeloogsten met een angstaanjagende snelheid wegvagen. Decennialang was de oplossing om vuur met vuur te bestrijden, door synthetische fungiciden of koperhoudende producten te gebruiken. Maar net zoals bacteriën leren te overleven bij antibiotica, ontwikkelen deze pathogenen uiteindelijk een resistentie tegen de chemicaliën die bedoeld zijn om hen te doden. Deze wapenwedloop heeft wetenschappers gedwongen om op zoek te gaan naar slimmere, duurzamere manieren om planten te beschermen. In plaats van het pathogeen direct te vergiftigen, onderzoeken onderzoekers een strategie die het eigen immuunsysteem van de plant in een schild verandert. Deze aanpak gebruikt natuurlijke stoffen, bekend als resistentie-induceerders, om de afweer van de plant "wakker te maken" voordat er ooit een aanval plaatsvindt. Denk aan een vaccin voor een plant, dat het traint om indringers effectiever te herkennen en te bestrijden. Toch blijft er een groot raadsel bestaan: niet alle planten reageren even goed op deze training. Sommige variëteiten lijken de boost perfect te absorberen, terwijl andere nauwelijks reageren, waardoor boeren onzeker zijn over welke zaden ze moeten planten voor de beste bescherming.

Een team van onderzoekers van INRAE in Frankrijk zette zich af om dit mysterie op te lossen door te onderzoeken waarom verschillende tomatenplanten zo verschillend reageren op een specifieke natuurlijke behandeling genaamd Belvine®. Dit product, afgeleid van gist, is al goedgekeurd voor gebruik op wijnranken om meeldauw te bestrijden, maar het potentieel voor tomaten was minder goed begrepen. De wetenschappers wilden weten of de variatie in hoe goed de behandeling werkte simpelweg pech was, of dat het in de genetische code van de planten geschreven stond. Om het antwoord te vinden, verzamelden ze een diverse groep van 148 verschillende tomatenvariëteiten, variërend van kleine kerstomaatjes tot grote commerciële soorten, en kweekten deze in plastic tunnels onder realistische omstandigheden. Ze behandelden de helft van de planten met Belvine® en lieten de andere helft onbehandeld, en stelden ze vervolgens allemaal bloot aan het pathogeen van de aardappelziekte. Door nauwkeurig te meten hoeveel ziekte er op elk blad verscheen, konden ze exact berekenen hoeveel bescherming de behandeling voor elke enkele variëteit bood.

De resultaten bevestigden wat de boeren vermoedden: de behandeling werkte, maar het succes hing volledig af van het specifieke type tomaat. Gemiddeld verminderde de Belvine®-behandeling de ernst van de ziekte met bijna 90 procent, een opmerkelijke verbetering. Echter, het niveau van bescherming varieerde enorm van de ene variëteit naar de andere. Sommige tomaten waren na behandeling volledig immuun voor de ziekte en vertoonden geen enkel teken van infectie, terwijl anderen slechts gedeeltelijk beschermd waren. Dit brede scala aan uitkomsten suggereerde dat het vermogen om op de behandeling te reageren een eigenschap is die via generaties wordt doorgegeven, vergelijkbaar met lengte of vruchtkleur. Om dit te bewijzen, berekenden de onderzoekers de erfelijkheid van de respons, een maatstaf voor hoeveel van het verschil tussen planten te wijten is aan hun genen in plaats van aan hun omgeving. Ze ontdekten dat genetica een enorme rol speelde en verantwoordelijk was voor meer dan de helft van de variatie in hoe goed de planten werden beschermd. Dit was een cruciale ontdekking, die bevestigde dat kwekers potentieel kunnen selecteren op tomaten die van nature beter zijn in het gebruiken van deze natuurlijke verdediging.

Met de genetische basis bevestigd, ging het team over naar de volgende stap: het vinden van de specifieke delen van het tomaatgenoom die verantwoordelijk zijn voor deze variatie. Ze gebruikten een krachtige techniek genaamd een Genome-Wide Association Study, die het volledige DNA van de planten scant om te zoeken naar kleine verschillen die overeenkomen met de verschillen in ziektebescherming. Deze zoektocht onthulde vijf afzonderlijke regio's op de tomatenchromosomen die gekoppeld zijn aan de effectiviteit van de behandeling. Deze regio's bevonden zich op chromosomen 2, 3, 4 en 12. Binnen deze genetische buurten identificeerden de onderzoekers verschillende kandidaatgenen die waarschijnlijk de respons van de plant controleren. Deze genen bevatten instructies voor het maken van eiwitten die fungeren als sensoren om dreigingen te detecteren, eiwitten die helpen bij het verzenden van alarmsignalen, en enzymen die fysieke barrières tegen het pathogeen opbouwen. Interessant genoeg waren sommige van deze genen dezelfde genen die de behandeling bekendermate activeert, zoals die die enzymen produceren om celwanden van schimmels af te breken of die oxidatieve stress beheren.

De studie benadrukte ook dat de omgeving ertoe doet. Terwijl sommige genetische regio's belangrijk zijn onder alle omstandigheden, leken andere belangrijker te zijn in specifieke tunnels of seizoenen, wat suggereert dat de beste genetische match voor een boer afhankelijk kan zijn van zijn lokale klimaat. De onderzoekers vonden niet alleen de locaties; ze keken ook naar de functie van de genen op die plekken. Ze ontdekten dat de meest effectieve tomaten specifieke versies van genen bezaten die coderen voor eiwitten zoals bèta-1,3-glucanases en glutathion S-transferases. Dit zijn precies de instrumenten die de plant gebruikt om infectie te bestrijden zodra het alarm is afgegaan. Het feit dat de meest responsieve planten over deze specifieke genetische instrumenten beschikten, suggereert dat veredelingsprogramma's nu kunnen focussen op het selecteren van deze eigenschappen. In plaats van te gokken welke tomatenvariëteit het beste zal werken met een natuurlijke verdedigingsspray, kunnen kwekers nu zoeken naar de specifieke genetische markers die een sterke respons garanderen.

Dit werk vertegenwoordigt de eerste keer dat wetenschappers de genetische regio's in kaart hebben gebracht die bepalen hoe goed een tomaatplant reageert op een resistentie-induceerder. Voorheen was het idee dat het DNA van een plant de capaciteit kon dicteren om baat te hebben bij een natuurlijke behandeling grotendeels theoretisch. Nu, met deze specifieke genetische doelwitten geïdentificeerd, is de weg vooruit voor de landbouw duidelijker. Boeren en kwekers kunnen samenwerken om nieuwe tomatenvariëteiten te ontwikkelen die niet alleen van zichzelf resistent zijn tegen ziekten, maar ook geprimed zijn om nog harder te vechten wanneer ze een natuurlijke boost krijgen. Deze aanpak biedt een manier om de afhankelijkheid van chemische fungiciden te verminderen, wat een duurzamere en milieuvriendelijkere oplossing biedt voor een van de oudste en meest destructieve problemen in de landbouw. De studie beweert niet het probleem van de aardappelziekte volledig te hebben opgelost, maar het heeft de essentiële kaart geleverd die nodig is om de volgende generatie veerkrachtige gewassen te kweken.