Sommige insecten en mijten stelen genen van andere organismen om zichzelf immuun te maken voor plantengif. Een inzicht in dit evolutionaire trucje zou een meer duurzame gewasbescherming kunnen opleveren.
Wie graag in de moestuin werkt, weet dat het telen van groenten en fruit ook een strijd is tegen ziektes en plagen die je geliefde planten beschadigen. Insecten en mijten bijvoorbeeld voeden zich met het bladgroen van deze gewassen. Dat bezorgt niet enkel liefhebbers kopzorgen, ook professionele telers liggen er uiteraard wakker van.
Planten laten zich gelukkig niet zomaar afslachten. Sommige gewassen produceren bijvoorbeeld gif om schadelijke insecten af te weren. De plagen reageren op hun beurt, soms met heel bijzondere wapens. Zo zijn er plagen die genen stelen om gifstoffen van planten onschadelijk te maken. Wetenschappers onderzoeken hoe ze die gestolen genen kunnen gebruiken om gewassen een voordeel te geven in deze wapenwedloop tussen planten en plagen.
Gendiefstal
Gendiefstal, of horizontale genoverdracht (HGO), is het proces waarbij erfelijk materiaal, DNA, wordt uitgewisseld tussen organismen zonder dat er een familieverband is tussen de twee. Het fenomeen werd meer dan vijftig jaar geleden voor het eerst beschreven voor bacteriën. Tegenwoordig worden in elke bacterie wel sporen van een gestolen gen teruggevonden. Wetenschappers beschouwen gendiefstal ook als de drijvende kracht achter de snelle verspreiding van antibioticaresistentie in bacteriën.
Voor eukaryoten - organismen met een celkern, zoals planten en dieren - waren bewijzen van gendiefstal eerder schaars, maar de laatste tien jaar is er op dat vlak een inhaalbeweging gemaakt. Bladluizen en de bonenspintmijt bleken een gen van schimmels te hebben gestolen waarmee ze zelf caroteen, een bouwsteen van vitamine A, konden aanmaken. De haring leende een gen aan een andere vissoort waardoor die laatste beter bestand is tegen de koude. En wetenschappers ontdekten dat een kever dankzij een gestolen bacterieel gen koffiebessen kan verteren.
De diefstallen hierboven beschreven konden enkel aan het licht komen doordat een genoomsequentie - de complete verzameling van erfelijk materiaal – beschikbaar was voor deze organismen. Via het genoom kan men genen namelijk gemakkelijk vergelijken met die van soortgenoten, alsook met genetisch materiaal van ver verwante organismen. Het is hierbij wel van belang dat het genoom correct is samengesteld.
Zo meldde de Proceedings of the National Academy of Sciences USA, een hoog aangeschreven wetenschappelijk tijdschrift, dat een mosbeertje meer dan 15% van zijn genen gestolen had. Een jaar later brachten wetenschappers dit terug tot 1% en bleek dat de foute analyse te wijten was aan het niet verwijderen van vervuilend bacterieel DNA tijdens het samenstellen van het genoom. Een mooi voorbeeld van hoe wetenschappers kritisch zijn op elkaars werk en misschien ook wel een goed argument om, alvorens te publiceren, wetenschappelijke bevindingen te laten beoordelen door een grote schare wetenschappers in plaats van een select clubje van onderzoekers.
De bonenspintmijt
Terug naar de gewasbeschadigers die telers heel wat slapeloze nachten bezorgen. In 2011 werd het genoom van de bonenspintmijt, een moeilijk te bestrijden plaag op tomaten en rozen, volledig opgehelderd. Dankzij het spintmijtgenoom ontdekten wetenschappers van de Universiteit Gent dat spintmijten heel wat genen hadden gestolen van bacteriën en die vervolgens hadden ingebouwd in hun eigen genoom.
Om een idee te krijgen van de functie van één van die bacteriële genen zochten de Belgische onderzoekers eerst naar gelijkaardige genen waarvan de functie gekend was. Vervolgens werd het overeenkomstige eiwit van het gestolen spintmijtgen geproduceerd en getest of het dezelfde reacties kon uitvoeren als de reeds vroeger beschreven eiwitten. De resultaten waren spectaculair: het spintmijteiwit bleek een enzym, beta-cyanoalanine synthase of kortweg CAS, dat in staat is om waterstofcyanide of blauwzuur onschadelijk te maken.
Blauwzuur is een welbekende maar uiterst toxische stof die de energieproductie van de cel blokkeert. De stof duikt onder meer op in Sparkling Cyanide, een detective roman van Agatha Christie, of als het gif waarmee de oorlogsmisdadiger Slobodan Praljak live zelfmoord pleegde tijdens zijn proces. Blauwzuur komt echter ook vrij - uit stoffen genaamd cyanogene glycosiden - wanneer plagen zich voeden op planten zoals klaver of passiebloem. De spintmijt kan het gestolen CAS-enzym dus goed gebruiken om deze vrijgekomen dodelijke stof te neutraliseren.
Merkwaardig genoeg bleken niet alleen spintmijten het CAS gen gestolen te hebben, maar ook enkele vlinders. Bovendien had een vlindersoort die enkel op passiebloem, een ware blauwzuur bom, kan leven zelfs meerdere kopieën van het CAS-gen, wat nogmaals het belang onderstreept van het CAS-enzym als een krachtig ontgiftingswapen.
De tabakswittevlieg
Dat gestolen genen niet altijd van bacteriën hoeven te komen, bleek dit jaar uit een onderzoek rond de tabakswittevlieg of Bemisia tabaci (foto bovenaan dit artikel), waaraan ook het Instituut voor Landbouw-, Visserij- en Voedingsonderzoek (ILVO) meewerkte. Deze te duchten plaag bleek het evolutionaire trucje te hebben toegepast op een gen van planten. Dankzij dit gen produceren de darmen van de vlieg een enzym dat de giftige afweerstoffen van een plant neutraliseert. Pikant detail, voor het aantonen van de functie van het enzym moesten wetenschappers het darmstelsel van meer dan 10 000 wittevliegen, slechts een paar millimeter groot, isoleren.
Voor het aantonen van de functie van het gestolen gen werd het darmstelsel van meer dan 10 000 witte vliegen geïsoleerd
Interessanter wat betreft een mogelijke bestrijding van het diertje was een experiment waarbij tomatenplanten genetisch werden gewijzigd. Deze genetische gemanipuleerde planten maakten namelijk stoffen aan die het gestolen plantengen van de wittevlieg afbreken - onder specialisten ook wel gekend als een RNA-interferentieproef. Een week na de start van het experiment waren bijna alle wittevliegen gestorven op de genetisch gemanipuleerde planten, terwijl de sterfte op ongewijzigde planten beperkt was. Aangezien enkel de tabakswittevlieg het plantengen gestolen had, waren de genetische gemanipuleerde planten ook heel selectief en hadden ze dus geen effect op niet-doelwit organismen.
Deze selectiviteit staat haaks tegenover de breedwerkende pesticiden die courant worden ingezet in de gewasbescherming. Wetende dat de bestrijding van de tabakswittevlieg wereldwijd miljarden euro per jaar kost en dat de Europese overheid streeft naar 50% verminderd gebruik van pesticiden tegen 2030, zouden dergelijke selectief resistente planten wel eens de oplossing kunnen zijn voor een toekomstige, milieuvriendelijke gewasbescherming. Het zou de zoektocht naar gestolen genen in plagen alleen maar bevorderen, of hoe het betrappen van dieven uiteindelijk ook kan lonen voor de gewasbescherming.
Video onder. Horizontale genoverdracht in wittevliegen.
Wetenschappelijke publicaties:
https://www.nature.com/articles/s41579-021-00650-4
https://www.nature.com/articles/nrmicro.2017.137
https://www.pnas.org/content/114/29/E5871
https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.1187113
https://www.cell.com/trends/genetics/fulltext/S0168-9525(21)00051-2
https://www.pnas.org/content/109/11/4197
https://www.pnas.org/content/113/18/5053
https://elifesciences.org/articles/02365
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/imb.12374
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00164-1
https://link.springer.com/article/10.1007/s10340-020-01238-2
https://ec.europa.eu/food/plants/pesticides/sustainable-use-pesticides/farm-fork-targets-progress_en
