Different ways of plant breeding


Different ways of plant breeding

Last month the European Commission came with a new proposal regarding the genetic modification of crop plants. They propose crops breed using new genetic techniques not to classify as genetically modified. But which ways of plant breeding are there? Here I will highlight four of them.

During breeding of crops a breeder is selecting for favoured traits, like a high yield, resistance against diseases, or being better able to deal with a drought. The reason why one plant has a particular trait and another not, is due to a difference in genetic information. A change in this genetic information can therefore result in a new trait.

During traditional breeding, a change in the genetic information is a result of copying mistakes or DNA damage. Most of those changes do not result in new traits, but some do. Creating variation in a population. Something breeders use when breeding new crops. For example, when crossing a plant with disease resistance with a high yielding plant, to generate a crop that has both disease resistance and a high yield. Unfortunately, new traits don’t appear often, and getting new traits in this way is a slow and random process.


Gene editing is a new tool in the breeder’s toolbox


Around 1930 researchers discovered a way to increase the frequency of new trait occurrence. Radiating plants or treating them with chemicals, they noticed caused more new traits. The number of changes in the DNA of the plant increased. Creating new crops using this method is called mutation breeding. While new traits are obtained much faster, the breeder has no control about which new traits develop.

This changed at the start of the eighties last century. Researchers developed a way to introduce foreign DNA into a plant. This enabled breeders to introduce specific traits, like resistance to specific insects. Producing new crops using this technique we call genetic modification. This involves introducing pieces of DNA from one organism in another organism. The advantage for the breeder is that he can control which new trait emerges. But the breeder has no control where in the genome the foreign DNA ends up.

With the new genomic techniques or gene editing, like CRISPR-Cas, breeders have control where the DNA changes. Using gen editing breeders can change specific genes inside the organism, without introducing foreign DNA. In this gives breeders control over which trait they adjust and where this adjustment is made. A disadvantage, compared to traditional breeding is that the responsible gene must be known.

In this regard gene editing is closer to traditional breeding and mutational breeding than classic genetic modification. Each of the above discussed techniques has its own advantages and disadvantages. Gene editing is therefore not the holy grail, but only a new tool in the breeder’s toolbox.

Literature

Bevan, M., Flavell, R. & Chilton, MD. A chimaeric antibiotic resistance gene as a selectable marker for plant cell transformation. Nature 304, 184–187 (1983). https://doi.org/10.1038/304184a0

Kunling Chen, Yanpeng Wang, Rui Zhang, Huawei Zhang, Caixia Gao (2019) CRISPR/Cas Genome Editing and Precision Plant Breeding in Agriculture. Annual Review of Plant Biology 2019 70:1, 667-697 https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-050718-100049

Stadler LJ. Mutations in Barley induced by x-rays and radium. Science. (1928) 68:186–7. DOI: 10.1126/science.68.1756.186

In addition, I talked with Dirk Inzé, Cathy Martin, and Jan Schaart


Thanks for reading.
If you like what you read, support me with on of the following actions

Follow me on LinkedIn or BlueSky
Share it with a friend or co-worker
Singing up to my newsletter so my next blog lands directly in your inbox

Verschillende vormen van veredeling


Verschillende vormen van veredeling

Afgelopen maand kwam de Europese Commissie met een nieuw voorstel voor de regulering omtrent genetische modificatie van gewassen. Hierin stellen ze voor om gewassen veredeld met behulp van nieuwe genetische technieken niet als genetische gemodificeerd te classificeren. Maar wat voor vormen van veredeling zijn er allemaal? Hier licht ik de vier uit.

Tijdens het veredelen van gewassen selecteert de teler op gewenste eigenschappen, zoals een goede opbrengst, resistentie tegen zieketen, of betere bestandheid tegen droogte. Dat de ene plant een bepaalde eigenschap wel heeft en de andere niet is het gevolg van verschil in genetische informatie. Een hele nieuwe eigenschap ontstaat doordat er een verandering plaats vindt in de genetische informatie.

Bij klassieke veredeling is de verandering in de genetische informatie het gevolg van kopieer foutjes of schade aan het DNA. Lang niet alle veranderingen resulteren in veranderde eigenschappen, maar soms wel. Zo ontstaat er variatie in een populatie. Iets waar telers handig gebruik van maken bij het ontwikkelen van nieuwe gewassen. Hierbij kruisen ze een plant met bijvoorbeeld ziekteresistentie met een plant die een hoge opbrengst heeft, om zo een gewas te krijgen dat beide heeft. Helaas is het ontstaan van nieuwe eigenschappen op deze manier een traag en willekeurig proces. 


Gen editing is een nieuw stuk gereedschap in de gereedschapskist van de veredelaar


In de jaren dertig van de vorige eeuw ontdekten wetenschappers dat je het tempo waarin nieuwe eigenschappen zich voordoen kan versnellen. Door planten te bestralen of te behandelen zagen ze meer nieuwe eigenschappen. Het aantal veranderingen in het DNA van de plant ging omhoog. Het op deze manier verkrijgen van nieuwe gewassen noemen we mutatie veredeling. Het ontstaan van nieuwe eigenschappen gaat sneller, maar de veredelaar heeft geen controle over welke nieuwe eigenschappen er ontstaan.

Daar kwam verandering in begin jaren tachtig van de vorige eeuw. Toen ontwikkelde onderzoekers de mogelijkheid om vreemd DNA toe te voegen aan het DNA van een plant. Dit gaf telers de mogelijkheid om specifieke eigenschappen toe te voegen, zoals bijvoorbeeld resistentie tegen bepaalde insecten. Het verkrijgen van nieuwe gewassen met deze techniek noemen we genetische modificatie. Hierbij introduceren we stukken DNA van een organisme in een ander organisme. Het voordeel voor de teler is dat hij controle heeft over welke nieuwe eigenschap er ontstaat. De teler heeft alleen geen controle waar in het genoom het nieuwe DNA terecht komt.

Met de nieuwe genetische technieken of gen editing, zoals CRISPR-Cas, hebben telers wel controle over waar het DNA veranderd. Met gen editing kunnen telers specifieke genen wijzigen in het organisme zelf, dus zonder vreemd DNA te introduceren. Op deze manier hebben telers zowel controle over de eigenschap die ze veranderen, als waar in de genetische informatie de verandering plaats vindt. Het nadeel hiervan ten opzichte van de klassieke veredeling is dat bekend moet zijn welk gen verantwoordelijk is voor de gewenste eigenschap.

Gen editing lijkt dus in z’n uitkomst veel meer op klassieke veredeling en mutatie veredeling dan op klassieke genetische modificatie. Elk van de hierboven besproken technieken hebben hun voordelen en nadelen. Gen editing is dan ook niet de heilige graal, maar slechts een nieuw stuk gereedschap in de gereedschapskist van de veredelaar.

Literatuur

Bevan, M., Flavell, R. & Chilton, MD. A chimaeric antibiotic resistance gene as a selectable marker for plant cell transformation. Nature 304, 184–187 (1983). https://doi.org/10.1038/304184a0

Kunling Chen, Yanpeng Wang, Rui Zhang, Huawei Zhang, Caixia Gao (2019) CRISPR/Cas Genome Editing and Precision Plant Breeding in Agriculture. Annual Review of Plant Biology 2019 70:1, 667-697 https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-050718-100049

Stadler LJ. Mutations in Barley induced by x-rays and radium. Science. (1928) 68:186–7. DOI: 10.1126/science.68.1756.186

Daarnaast gesproken met Dirk Inzé, Cathy Martin, en Jan Schaart


Wil je meer lezen over de voordelen van genetische modificatie lees dan m’n KIJK artikel hierover


Bedankt voor het lezen
Vond je het interessant, overweeg dan een van de volgende acties

Volg me op LinkedIn of BlueSky
Stuur het door aan een vriend of collega

Abonnneer je op m’n nieuwsletter zodat de volgende automatisch in je inbox verschijnt.

Analog or digital


Analog or digital

Often, I speak over gene on/off switches. About proteins that enable a gene to be read either more or less often. These gene on/off switches enable an analog regulation of their genes. In addition, a cell has a system to regulate a gene in a more digital manner, having a gene either switched on or off. Now British, Swedish, Australia, and Chinese researchers showed how these two regulatory options influence each other while regulating the flowering gene FLC.

Flowering of tale cress is regulated by the gene FLC. When FLC is turned on it inhibits the development of flowers. Only when FLC is turned off can the plant flower. FLC regulation is of great importance, you don’t want to start flowering too early or too late. To prevent flowering too late, a plant switches FLC off in a digital manner during the winter. But there are also tale cress plants that do not need a winter at all. The researchers decided to study how the switching FLC on and off in these plants is regulated.


Variation in analog regulation affects digital shutdown


In their study the researchers used plants in which another regulator of FLC, FCA, did not work as well, or not at all. When there was no FCA, then FLC was digital turned on, but cells also showed variation in how often a cell read FLC. When FCA was working less well, then more cells had FLC digitally switched off. But in those cells in which FLC was still turned on, the researchers also observed variation in how often a cell FLC read. Therefore, when FLC was digitally switched on, it showed an analog regulation.

To analyse this further, the researchers studied FLC regulation for a longer time period. They noticed that when the plant gets older, that more and more cells switch off FLC digitally. This occurs slower in plants in which FLC was still digitally on than in plants in which some FLC was already digitally off.   

The regulation of FLC is thus both analog and digital. The researchers expect that the speed with which FLC is digitally switched off depends on its analog regulation. The more often a cell is reading FLC, the slower the cell is switching off FLC digitally. Enabling variation in analog regulation to result in a difference in digital regulation.

Literature

Rea L Antoniou-Kourounioti, Anis Meschichi, Svenja Reeck, Scott Berry, Govind Menon, Yusheng Zhao, John Fozard, Terri Holmes, Lihua Zhao, Huamei Wang, Matthew Hartley, Caroline Dean, Stefanie Rosa, and Martin Howard (2023) Integrating analog and digital modes of gene expression at Arabidopsis FLC. eLife 12:e79743. https://doi.org/10.7554/eLife.79743


Thanks for reading.
If you like what you read, support me with on of the following actions

Follow me on LinkedIn or BlueSky
Share it with a friend or co-worker
Singing up to my newsletter so my next blog lands directly in your inbox

Analoog of digitaal


Analoog of digitaal

Vaak heb ik het hier over gen aan/uit zetters. Over eiwitten die een gen meer of juist minder laten aflezen. Deze gen aan/uit zetters zorgen voor een analoge regulatie van hun genen. Daarnaast heeft de cel ook een systeem om een gen op een meer digitale manier te reguleren, waarbij een gen of aan of uit staat. Nu hebben Britse, Zweedse, Australische en Chinese onderzoekers laten zien hoe deze twee manieren van regulatie voor het bloei gen FLC op elkaar inwerken.

Het gen FLC reguleert de bloei in de zandraket. Staat FLC aan dan houdt deze de ontwikkeling van bloemen tegen. Pas als FLC uit staat mag de plant gaan bloeien. FLC-regulatie is dan ook een belangrijke taak, je wil niet te vroeg of te laat bloeien. Om te voorkomen dat de plant niet te laat gaat bloeien, schakelt de plant FLC op een digitale manier uit gedurende de winter. Maar er zijn ook zandraket plantjes die helemaal geen winter nodig hebben. De onderzoekers besloten te kijken naar hoe het aan- en uitzetten van FLC in deze plantjes is geregeld.


Variatie in analoge regulatie heeft effect op digitale uitschakeling


Om dit te onderzoeken maakte de onderzoekers gebruik van planten waarbij een andere regulator van FLC, FCA, minder goed werkte. Was deze FCA helemaal afwezig, dan stond FLC digitaal aan, maar vertoonde per cel ook variatie in hoe vaak een cel FLC aflas. Werkte FCA minder goed, dan hadden meer cellen FLC digitaal uitgezet. Maar in de cellen waar FLC nog aanstond, zagen de onderzoekers ook verschil in hoe vaak een cel FLC aflas. Wanneer FLC dus digitaal aan stond, vertoonde het een analoge regulatie.

Om dit verder te onderzoeken bestudeerde de onderzoekers FLC-regulatie over een langere tijd. Hierbij zagen de onderzoekers dat met het ouder worden van de plant in meer en meer cellen FLC digitaal uitstaat. Dit ging snellen in planten waar FLC al gedeeltelijk digitaal uitstond dan in planten waar FLC digitaal nog aanstond.

De regulatie van FLC is dus zowel analoog als digitaal. Waarbij de onderzoekers verwachten dat de snelheid waarmee FLC digitaal wordt uitgezet afhankelijk is van de analoge regulatie. Hoe vaker de cel FLC afleest, hoe langzamer de cel FLC digitaal uitzet. Zo kan variatie in de analoge regulatie resulteren in verschil in digitale uitschakeling.

Literatuur

Rea L Antoniou-Kourounioti, Anis Meschichi, Svenja Reeck, Scott Berry, Govind Menon, Yusheng Zhao, John Fozard, Terri Holmes, Lihua Zhao, Huamei Wang, Matthew Hartley, Caroline Dean, Stefanie Rosa, and Martin Howard (2023) Integrating analog and digital modes of gene expression at Arabidopsis FLC. eLife 12:e79743. https://doi.org/10.7554/eLife.79743


Bedankt voor het lezen
Vond je het interessant, overweeg dan een van de volgende acties

Volg me op LinkedIn of BlueSky
Stuur het door aan een vriend of collega

Abonnneer je op m’n nieuwsletter zodat de volgende automatisch in je inbox verschijnt.