Ondanks grote verschillen tussen chromosomen hebben Europese aardappelrassen een smalle genetische basis. Dit blijkt uit onderzoek van Duitse wetenschappers naar de genetische samenstelling van de aardappel, waaraan ook Wageningen University & Research heeft meegewerkt. De ontdekking draagt bij aan nieuwe strategieën voor de veredeling van sterkere aardappelrassen.
De onderzoekers van de Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) en het Max Planck Instituut voor Plantveredeling selecteerden samen met Wageningse onderzoekers tien historische aardappelrassen, waarvan sommige al in de 18e eeuw werden geteeld. Volgens de Wageningse database, met afstammingsgegevens van bijna tienduizend aardappelrassen, representeren deze rassen de ‘Founding Fathers’ van de moderne variëteiten. Ze stammen uit de eerste fase van Europese veredelingsprogramma’s.
Aardappel heeft vier sets chromosomen
Omdat een aardappel vier sets chromosomen heeft, zou je in deze tien rassen maximaal 40 verschillende bronnen (unieke haplotypes) kunnen terugvinden. Nu blijkt dat grote stukken van veel chromosomen identiek zijn. Gemiddeld zijn er niet meer dan negen verschillende haplotypes gevonden. En hiermee is ook 85 procent van de genetische varianten (haplotypes) van moderne Europese aardappelen verzameld.
Wageningse aardappelgenetici Ronald Hutten en Herman van Eck kunnen dit op basis van stamboomgegevens niet verklaren. Er zijn geen schriftelijk bronnen over afstamming ouder dan 1820. De Europese aardappel heeft dus een erg smalle genetisch basis, afkomstig van een klein aantal oorspronkelijk in Europa geïntroduceerde planten. Of hebben allerlei bottlenecks de genetische variatie versmald? Materiaal dat niet goed is aangepast aan het Europese klimaat en onze lange dagen ging verloren. Door de aardappelziekte zijn de meest vatbare planten verloren gegaan. In 1845 veroorzaakte de aardappelziekte een verwoestende hongersnood, vooral in Ierland, maar ook in andere delen van Europa.
Grote genetische diversiteit
Er zijn dus niet veel haplotypes, maar paradoxaal genoeg zijn die haplotypes wel heel verschillend. Gemiddeld is van de bouwstenen van het DNA één op de 50 nucleotiden anders. Dit is aanzienlijk meer dan bij andere gewassen. De genetische afstand tussen de aardappel haplotypes is bijna net zo groot als de verschillen tussen tomaat, aardappel en aubergine chromosomen.
Waarschijnlijk ontstond deze variatie al voordat de aardappel naar Europa kwam. Inheemse volkeren in Zuid-Amerika begonnen tussen 10.000 en 7.000 jaar geleden met het domesticeren van knoldragende Solanum-soorten. Door kruisingen tussen wilde soorten nam de diversiteit toe.
De haplotype-graaf
De onderzoekers brachten hun gegevens samen in een ‘haplotype-graaf’, gebaseerd op de grafentheorie uit de wiskunde. De lineaire DNA-keten van een chromosoom kun je zien als een spoorlijn van A naar B. Twee chromosomen samen vormen dan een dubbelspoor, waarbij wissels de sporen verbinden, zodat een trein op een traject kan rijden over het linker of rechter baanvak. Alle aardappelchromosomen uit het onderzoek tezamen vormen een complex netwerk dat lijkt op een rangeerterrein.
Deze haplotype-graaf is een handig gereedschap om het tetraploïde genoom van andere aardappelrassen te reconstrueren, ook als hiervan de DNA-sequentie slechts oppervlakkig bekend was. Met een kleine hoeveelheid specifieke DNA-sequenties van Russet Burbank – een belangrijk ras voor de patatindustrie – konden de vier trajecten in het rangeerterrein herkend worden. Elk traject representeert dan de reconstructie van het chromosoom.
Nieuwe methoden aardappelveredeling
Volgens aardappelgeneticus Herman van Eck bevestigen de onderzoeksresultaten inzichten die eerder op basis van beperkte gegevens werden vermoed. Deze inzichten zijn van grote waarde voor de ontwikkeling van nieuwe methoden van aardappelveredeling.
Diploïde aardappels
Normaal gesproken zijn nieuwe aardappelrassen geselecteerd uit kruisingen tussen aardappels met vier sets chromosomen. In Wageningen werkt medeauteur Ronald Hutten al decennia aan een veredelingsprogramma met diploïde aardappels (twee sets chromosomen). Deze diploïden zijn onmisbaar voor de ontwikkeling van een andere veredelingsmethode om F1-hybride aardappelrassen te kweken.
Een uitdaging bij deze methode is dat diploïde aardappels moeten zijn ingeteeld via zelfbevruchting. “We krijgen nu beter inzicht in welke baanvakken uit het chromosomale rangeerterrein we kunnen gebruiken om geschikte chromosomen te bouwen voor F1-hybriden. Elk aardappelras heeft immers een unieke combinatie van chromosomen. Wanneer bepaalde genen door mutaties niet meer functioneren, compenseren groeikrachtige planten dit met werkende varianten op een ander chromosoom.”
Op termijn verwachten de onderzoekers hierdoor beter te kunnen voorspellen welke oudercombinaties de gewenste chromosoomvarianten kunnen opleveren. Dit maakt het mogelijk om efficiënter en gerichter sterke aardappelrassen te ontwikkelen.
Bron: WUR
