Efficiënter F1-hybriden maken in cichorei

Dat is het opvallendste resultaat van het ILVO-UGent doctoraatsonderzoek door Jeroen Van der Veken. Het grootste succes schuilde in het voorbereidend werk: het maken van haploïde planten (met gehalveerde DNA hoeveelheid; elk chromosoom is slechts éénmaal aanwezig) die dienen als uitgangsmateriaal voor de ouderlijnen. ILVO heeft al sinds de jaren ‘50 een belangrijk veredelingsprogramma in dit niche-landbouwgewas, eerst gericht op koffiecichorei maar recent op inulineproductie. De inuline die wordt geëxtraheerd uit de cichoreiwortels is een veelgebruikt basisingrediënt voor heel wat voedingsbedrijven.

Voedingsbedrijven gebruiken inuline, een keten van fructosemoleculen, als prebiotische voedingsvezel in o.a. zuivel- en bakkerijproducten. Inuline stimuleert de groei van gunstige darmbacteriën, én het kan gebruikt worden als vetvervanger of in de cosmetische sector. Inuline uit cichoreiwortels is dus een gewild product, en België is het grootste cichoreiverbouwende en -verwerkende land te wereld. Cijfers van 2018 geven aan dat er 8405 ha industriële cichorei werd verbouwd en het areaal stijgt. De verkoopprijs bedraagt ongeveer €3600/ha en de landbouwers mikken momenteel op een gemiddelde opbrengst van ongeveer 8 ton inuline/ha. Meer inuline in de geoogste wortels zou gunstig zijn voor landbouwer en verwerkende industrie. Veredelingstrajecten worden dan ook op de voet gevolgd. De ontwikkeling van F1-hybriden, de productieve nakomelingen van gekruiste inteeltlijnen, kan bij cichorei zorgen voor een naar schatting 20% hogere productie van inuline in de wortels. Maar dat vergt diepgaand onderzoek naar veredelingstechnieken, waartoe Jeroen Van der Veken substantieel heeft bijgedragen.

Er zijn twee belangrijke voorwaarden om F1-hybriden in cichorei te maken. De eerste voorwaarde is de snelle productie van homozygote ouderplanten, met 2 identieke kopiëen van alle genen en chromosomen, de tweede is een betrouwbaar systeem voor bestuivingscontrole, zoals cytoplasmatische mannelijke steriliteit (CMS). Daarbij heeft een ouderplant een genetisch defect in het cytoplasma-DNA (het DNA in het plasma rond de celkern), wat de ontwikkeling van normaal stuifmeel onmogelijk maakt. Deze laatste factor zorgt voor zekerheid over het vaderschap van de resulterende planten, want de bloemen kunnen zichzelf niet bestuiven. Maar hoe kunnen we homozygote ouderplanten induceren? Welke technieken zijn hiervoor het meest aangewezen en kunnen we hun efficiëntie beïnvloeden? En is de cytoplasmatische mannelijke steriliteit in cichorei stabiel genoeg? Jeroen Van der Veken kon dankzij verschillende labo-experimenten homozygote lijnen produceren door haploïde planten te induceren en te verdubbelen, én hij kon aantonen dat cytoplasmatische mannelijke steriliteit teniet kan worden gedaan door hoge omgevingstemperaturen.

Homozygote lijnen kunnen bekomen worden door zelfbestuiving, maar dit is een tijdrovend inteeltproces. Dat kan omzeild worden door het gebruik van haploïden – planten met slechts 1 set chromosomen in plaats van 2. Om het genetische materiaal te halveren voerde Jeroen Van der Veken soortkruisingen uit tussen cichorei en verwante soorten van dezelfde familie, gevolgd door in vitro cultuur van het onrijpe embryo en verdere regeneratie - het laten uitgroeien tot planten. Hierbij bleken mediumsamenstelling en de gebruikte genotypes bepalend voor het succes. Enkel bestuivingen met alpensla Cicerbita alpina leverden haploïde planten op, vermoedelijk omdat de chromosomen van deze verwante soort na de bevruchting geëlimineerd worden. Een verdubbeling van deze haploïden leverde uiteindelijk op een vrij snelle manier homozygote ouders op.

De stabiliteit van cytoplasmatische mannelijke steriliteit werd onderzocht door CMS planten gecontroleerd bloot te stellen aan hoge temperaturen, en het effect op hun vruchtbaarheid te bestuderen. De stabiliteit van CMS na temperatuursschock in diverse lijnen werd in kaart gebracht. Verschillende lijnen produceerden vruchtbare stuifmeelkorrels 12 tot 17 dagen na de hitteshock, wat er op wijst dat dit type van CMS dus niet altijd even stabiel is en niet volledig betrouwbaar is als middel om kruisingen te controleren. Dat is belangrijk want als CMS niet meer werkt, bijvoorbeeld na een hittegolf in het veld, kan de plant zichzelf bestuiven. Het zaad dat vervolgens geoogst wordt is dan deels het gevolg van ongewenste zelfbestuiving; hier zullen dus geen F1 hybride planten uit groeien.

Betrouwbare CMS is dus essentieel voor een goede zaadkwaliteit, en Jeroen Van der Veken bracht daarom de expressie van genen in verschillende bloemknopstadia van “normale” en CMS planten in kaart. Verschillende genen gelinkt aan bloemknoprijping, geïdentificeerd via deze en eerdere studies, bleken een ander expressiepatroon te hebben in CMS planten. Ook via microscopie werden verschillen waargenomen in de ontwikkeling van de bloemknoppen, die mogelijk te linken zijn aan deze gewijzigde genexpressies. Deze informatie kan op termijn bijdragen aan een beter begrip van de ontwikkeling van CMS en tot de ontwikkeling van stabielere CMS-planten.

De beschreven veredelingstechnieken bieden perspectief op een aanzienlijke verbetering van het gewas, met name op hogere inulinegehaltes. Om het potentieel van hybride industriële cichorei cultivars aan te tonen werd een kruising gemaakt tussen een gedeeltelijk ingeteelde CMS lijn als moeder en een verdubbelde haploïd als vader. De inuline-opbrengst was met 15% toegenomen in vergelijking met een synthetische, commercieel beschikbare cultivar die als referentie gebruikt werd.

Van links naar rechts: verdubbelde haploïd; kruising tussen verdubbelde haploïd als moeder en een ingeteelde lijn als vader; kruising tussen een ingeteelde CMS lijn als moeder en een verdubbelde haploïd als vader; ingeteelde lijn; synthetisch ras (controle).

Sofie Vandendriessche, Communicatie ILVO: sofie.vandendriessche@ilvo.vlaanderen.be, T 09 272 25 28

Tom Eeckhaut, promotor ILVO: tom.eeckhaut@ilvo.vlaanderen.be, T 09 272 28 60