Vaderlijke mitochondriën blijken minder zeldzaam dan gedacht

Mitochondriën bij planten kunnen vaker dan gedacht via de vaderlijn worden overgeërfd. Dat blijkt uit onderzoek van Wageningen University & Research, het Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology (MPIMP) en de Chinese Universiteit van Hong Kong (CUHK). De studie is onlangs gepubliceerd in Nature Plants. Plantenveredelaars zien dit als een mogelijke nieuwe tool voor hun gereedschapskist.

Het staat zo netjes uitgelegd in onze schoolboeken. De helft van je DNA krijg je van je vader, de andere helft van je moeder. Dat geldt voor mensen, de meeste dieren en de meeste planten. Maar zoals bij bijna alles in de biologie ligt het in werkelijkheid iets ingewikkelder. Het standaardverhaal gaat over het DNA in de celkern. Cellen bevatten echter ook andere organellen met eigen DNA: cytoplasmatische genomen. Denk aan chloroplasten in plantencellen, of mitochondriën: de energie-fabriekjes van de cel. Lange tijd was het idee dat deze organellen en hun DNA uitsluitend via de moeder worden doorgegeven.

Waarom die organellen alleen via de moeder worden geërfd, is nog steeds niet duidelijk. "Mensen denken vaak dat het komt doordat eicellen veel groter zijn dan zaadcellen," zegt plantbioloog Kin Pan Chung van Wageningen University & Research, die het onderzoek uitvoerde samen met wetenschappers in Duitsland en Hong Kong. "Maar verschillen in grootte van gameten verklaren niet alles. Zo zien we dat de eencellige groene alg Chlamydomonas reinhardtii ook twee seksen heeft, waarbij de gameten even groot zijn. Toch geeft ook daar maar één van de twee seksen de organellen door tijdens de voortplanting."

De laatste jaren is duidelijker geworden dat maternale overerving niet altijd zo strikt is. Onderzoekers ontdekten dat organellen bij planten soms toch via de vaderlijke lijn worden doorgegeven. Voor chloroplasten gebeurde dat in 0,0016% van de gevallen; dat heet ’paternale leakage’ (vaderlijk lek). Voor mitochondriën bleef het idee dat dit bij de meeste bloeiende planten niet voorkwam. Tot nu: Chung en collega’s bedachten een methode om dit goed te testen in tabaksplanten, een belangrijke modelsoort die verwant is aan aardappel en tomaat. "Vaderlijke mitochondriën bleken in maar liefst 0,18% van de gevallen voor te komen. Dat was een enorme verrassing."

De onderzoekers gebruikten een mutante tabaksplant met een mutatie in het mitochondriale DNA. Het gevolg: de plant maakt geen stuifmeelkorrels aan en is daardoor mannelijk steriel. Chung en collega’s kruisten deze mutanten met planten met functionele mitochondriën. Een deel van de nakomelingen groeide uit tot gezonde planten met normaal stuifmeel. Dat wijst erop dat deze planten mitochondriën van het stuifmeel hadden gekregen, van de vaderlijke kant.

Daarna gingen ze een stap verder om te achterhalen welke genen betrokken zijn bij het bevorderen van de overdracht van vaderlijke mitochondriën. "We maakten een mutante tabaksplant die een specifiek exonuclease-enzym niet meer aanmaakt. Dat enzym breekt cytoplasmatisch DNA in het stuifmeel af. Zonder dit exonuclease is er meer mitochondriaal DNA aanwezig in stuifmeel, waardoor de mate van vaderlijke overdracht kan toenemen."

Daarnaast kweekten ze de vaderplanten bij lage temperatuur. Het was al bekend dat koudebehandeling kan leiden tot een groter aandeel organellen in zaadcellen. En inderdaad: door de tweede mutant te combineren met de koudebehandeling steeg het aandeel nakomelingen dat vaderlijke mitochondriën erfde tot boven de zeven procent.

Het onderzoek is fundamenteel, maar er komt al een mogelijke toepassing in zicht. Hybride zaden zijn populair bij veredelaars en telers. Door een geselecteerde vaderen moederlijn te kruisen, krijg je zaden die vaak sterker zijn en een constantere kwaliteit hebben dan de afzonderlijke ouderlijnen. Om zulke hybriden te maken, wil je voorkomen dat planten zichzelf bevruchten. Chung: "Een veredelaar kan zelfbestuiving voorkomen door alle meeldraden uit de plant te knippen. Dat werkt, maar is erg arbeidsintensief. Het kan ook door mannelijk steriele lijnen te maken." Met de nieuwe kennis over vaderlijke mitochondriën kan er mogelijk een extra route ontstaan. "Om dit echt te gebruiken, moet je het nog veel verder ontwikkelen," erkent Chung, "maar wij laten hier zien dat het in principe kan werken."

Lees de wetenschappelijke publicatie in Nature Plants.

Het Laboratorium voor Plantenfysiologie, onder leiding van Christa Testerink, streeft ernaar bij te dragen aan het begrip van hoe planten functioneren. We zijn met name geïnteresseerd in hoe planten reageren op veranderingen in hun soms vijandige omgeving.

Verzilting van landbouwbodems neemt door klimaatverandering toe en zorgt voor grotere oogstverliezen. Toch zijn er planten die bestand zijn tegen zoutstress.