Deze wetenschappers onlangs publiceerde een artikel waarin een nieuwe plantenveredelingstechniek werd beschreven dat kan een revolutie teweegbrengen in de manier waarop we gewassen verbouwen en de snelheid versnellen waarmee we sterkere, gezondere en veelzijdiger planten kunnen ontwikkelen in het licht van de klimaatverandering. Naarmate het klimaat verandert, verandert ook de productiviteit van een plant in een bepaalde regio. De sleutel tot onze goed gevoede toekomst kan een verscheidenheid aan veerkrachtige gewassen zijn die onder uiteenlopende omgevingsomstandigheden kunnen groeien.
“Veel wetenschappers zeiden dat dit onmogelijk was. Het was zo’n radicaal idee dat ze ons vertelden dat we het niet konden doen.”
“Het winstpercentage bij de meeste gewasveredelingsprogramma’s blijft achter bij de eisen die een groeiende bevolking stelt,”
Brande Wulff, een gewassengeneticus bij het John Innes Centre in het Verenigd Koninkrijk en auteur van het artikel, vertelt Digital Trends. “Door de groei en voortplanting van gewassen te versnellen, zullen wetenschappers en veredelaars over de hele wereld sneller in staat zijn om dit te doen planten kweken en ontwikkelen die voedzamer zijn, ziektebestendig zijn en beter aangepast zijn aan de toekomst klimaat."Er is al aangetoond dat de methode, toepasselijk ‘speed breeding’ genoemd, in slechts acht weken tarwe van zaad tot zaad kan laten groeien. Dat is drie keer sneller dan de kweektechniek die aanleiding gaf tot de Groene revolutie. Hoewel de resultaten van speedbreeding nog in de kinderschoenen staan, wijzen sommige analisten erop dat het een cruciaal instrument is voor de komst van een nieuw landbouwtijdperk.
Oorsprong van de ruimte
Misschien is het geen verrassing dat het snelheidsfokconcept zijn oorsprong vond bij NASA. Terwijl we brainstormden over manieren om tarwe te verbouwen ruimte, hadden wetenschappers van het bureau dit gekke idee – waarom niet drapeer de planten in constant licht, waardoor ze sneller volwassen kunnen worden? Planten houden immers van licht. Ze snakken ernaar en vermalen fotonen samen met koolstofdioxide en water om de suikers te creëren die ze nodig hebben om te groeien. Continu licht kan continue groei betekenen. Simpel, toch?
Dr. Brande Wulff (links) en Dr. Lee Hickey kijken naar snel veredelde tarwegewassen. Foto: Hickey Lab/Universiteit van Queensland
“Veel wetenschappers zeiden dat dit onmogelijk was,” Lee Hickey, een gewaswetenschapper aan de Universiteit van Queensland en een van de eersten die het plan van NASA tien jaar geleden adopteerde, vertelt Digital Trends. “Het was zo’n radicaal idee dat ze ons vertelden dat we het niet konden doen.”
Maar Lee en zijn team waren niet onder de indruk van de nee-zeggers. Trouw aan de wetenschappelijke methode probeerden ze het eens door experimenten te ontwerpen om te testen of intensieve lichtregimes de productiviteit van de planten zouden verhogen.
Dat gebeurde niet. Toen de wetenschappers voor het eerst tarwe verbouwden in een snelteeltsysteem, ‘zagen ze er verschrikkelijk uit’, zegt Hickey, ‘echt runty.’ Maar door een reeks experimenten die zaken als voeding optimaliseerden, watervoorziening, lichtfrequentie en kastemperatuur begonnen de grassen sneller en beter te rijpen, en vertoonden zelfs meer graanproductiviteit dan conventioneel geteelde kas tarwe.
Lee, Wright en hun collega's, waaronder onderzoekers van de Universiteit van Sydney, kwamen tot een licht regime dat zelfs de meest vrome zonaanbidders zou doen aarzelen. “Langedag”-gewassen zoals tarwe, gerst en kikkererwten (die bloeien als reactie op langere dagcycli) zijn blootgesteld aan maar liefst 22 uur continu licht per dag, naar beneden gestraald door LED-lampen die boven de kweek hangen bedden.
De behoefte aan snelheid
Volgens het speedbreedingprotocol kunnen planten zoals tarwe in slechts acht weken van zaad tot zaad gaan, wat betekent dat veredelaars elk jaar tot zes generaties kunnen opgroeien.
“De echte innovatie die ze hier laten zien, is dat ze heel snel generaties kunnen veranderen. Dat is een belangrijk aspect van de plantenveredeling.”
“De echte innovatie die ze hier laten zien, is dat ze heel snel generaties kunnen veranderen”, Charles Brummer, zegt een gewaswetenschapper van UC Davis en voormalig voorzitter van de Crops Science Society of America, die niet bij het onderzoek betrokken was. “Dat is een belangrijk aspect van plantenveredeling.”
Bij elke nieuwe generatie proberen onderzoekers gewenste eigenschappen erin te fokken en tegelijkertijd ongewenste eigenschappen eruit te fokken. Hoe sneller ze een generatie van zaad tot zaad kunnen laten groeien, hoe sneller ze ongewenste eigenschappen kunnen verwijderen en tegelijkertijd gewenste eigenschappen kunnen promoten.
Neem bijvoorbeeld pre-oogstkiemen (PHS), een fenomeen dat ervoor zorgt dat tarwe voortijdig ontkiemt als gevolg van langdurige regenval en hoge luchtvochtigheid.
"Dit is een groot probleem in Australië omdat al onze rassen vatbaar zijn", zegt Hickey.
De gevoeligheid voor PHS wordt op zijn minst gedeeltelijk gecontroleerd door genetica, dus door het selectief veredelen en kruisen van verschillende tarwesoorten variëteiten willen onderzoekers die genetische eigenschap elimineren, waardoor toekomstige tarwegeneraties beter bestand zijn tegen hoge regenval vochtigheid. Het bedrijf Dow AgroSciences heeft de speedbreeding-techniek al toegepast en een tarwevariëteit ontwikkeld die resistent is tegen PHS.
Het is zo simpel: verhoog de zaad-tot-zaadsnelheid van een gewas en je maakt het voor veredelaars gemakkelijker om gewenste gewassen te ontwikkelen. Als je het verdrievoudigt, geef je ze een uitzonderlijk hulpmiddel om elitegewassen te creëren.
Plantenveredeling uit het ruimtetijdperk baant de weg voor toekomstige gewassen
‘Veel ziekteresistentiegenen zijn te vinden in wilde verwanten van onze gedomesticeerde gewassen,’ zegt Wulff, ‘maar het kruisen een ziekteresistentiegen van een wilde tarwe in een gedomesticeerde elite cultivar is als het fokken van een renpaard met een ezel! Het duurt vele, vele jaren...om het beste van beide werelden te combineren. Speedbreeding kan dit proces versnellen en de tijd verkorten die nodig is om een nieuwe tarwecultivar met superieure eigenschappen te ontwikkelen.”
Brummer zegt het botweg. “Sneller bewegen is de naam van het spel”, zegt hij. “Dit is een manier om veel sneller te bewegen.”
Velden van dromen
Het grootste deel van de tarwe die in onze pasta en brood terechtkomt, wordt echter niet in kassen verbouwd, en er is nog veel dat volgt uit de eerste veredelingsfasen.
“De echte impact zal komen van het combineren van deze tool met andere technologieën die we hebben en die zich snel ontwikkelen in de plantenveredeling.”
“Op een bepaald niveau moet je, ongeacht de genomische tools die je gebruikt, planten in het veld zetten en kijken hoe ze presteren”, legt Brummer uit.
Het is in het veld dat de kasexperimenten op de proef worden gesteld. Een gewasvariëteit kan goed presteren in een kunstmatige omgeving, waar temperatuur, watervoorziening en lichtregimes gemakkelijk zijn gereguleerd, maar als het niet gedijt in het veld, waar de overgrote meerderheid van onze gewassen wordt verbouwd, dan is het praktisch een blindganger. Nieuwe tarwevariëteiten moeten onder de elementen productief zijn, zodat boeren er mee aan de slag kunnen.
"Tests in de praktijk zijn van cruciaal belang", zegt Hickey. “We moeten dat hebben en ervoor zorgen dat de rassen die we aan boeren vrijgeven, bewezen zijn en een bewezen staat van dienst hebben. Ze moeten nog steeds die drie of vier jaar veldevaluatie doorlopen.”
Toch schat Hickey, zelfs al rekenend op basis van de paar jaar van veldproeven, dat snelheidsveredeling vóór 2050 in vier of vijf voortplantingscycli kan worden belemmerd, wanneer de populatie zal naar verwachting de negen miljard overschrijden en de klimaatverandering zal wereldwijd voelbaar zijn. De hoop is dat veredelaars in de komende decennia rassen kunnen ontwikkelen die veerkrachtig genoeg zijn om bestand te zijn tegen wat de omgeving hen te bieden heeft.
Hickey Lab/Universiteit van Queensland
“Het weer en het klimaat veranderen altijd tot op zekere hoogte, maar wat we nu zien is dat het klimaat dat ook is verandert sneller, en misschien zien we als gevolg daarvan extremer weer”, aldus Brummer zegt. “Misschien moeten de nieuwe rassen die zijn aangepast aan een bepaalde regio acuter zijn, dus zullen we sneller moeten veredelen en meer rassen moeten ontwikkelen dan in het verleden. Dat is waar deze methode zou kunnen helpen. Alles wat je kunt doen om de tijd die nodig is om nieuwe plantenvariëteiten op het veld te krijgen, te verkorten, zal nuttig zijn.”
Uitdagingen die komen
Tot nu toe heeft snelheidsveredeling het grootste potentieel laten zien bij langedagsoorten die langer bloeien dagen, waardoor Hickey en zijn collega's er zeker van zijn dat het zal werken met planten als zonnebloem, paprika en radijs.
‘Het zal lastiger zijn om snelveredeling toe te passen op ‘kortedag’-soorten als rijst, maïs en sorghum,’ zegt hij, ‘maar ik denk dat er ruimte is voor optimalisatie van een snelcyclussysteem. Het is gewoon een kwestie van het aanpassen van de fotoperiode en het temperatuurregime.”
Ondanks dat pinda’s een ‘korte dag’-soort zijn, hebben sommige onderzoekers al aangetoond dat snelle veredeling ook deze peulvruchten ten goede komt.
"We gebruiken de snelheidsveredelingstechniek die is ontwikkeld door UQ-onderzoekers voor pinda's al een aantal jaren met succes", zegt Graeme Wright, een veredelaar bij de Peanut Company of Australia. Wright denkt dat de lange lichtintervallen die bij snelveredeling worden gebruikt in feite individuele planten selecteren met een ongevoeligheid voor daglengte, wat hij zegt dat het “een wenselijke eigenschap is, omdat het betekent dat... ontwikkelde variëteiten een brede aanpassing aan de breedtegraad moeten hebben, waarbij reproductieve groei niet afhankelijk is van de dag lengte."
CRISPR en verder
Deze nieuwe methode moet worden gezien als munitie die fokkers kunnen toevoegen aan een groeiend arsenaal aan genetische wapens. De afgelopen jaren heeft de vooruitgang op het gebied van de genomica wetenschappers in staat gesteld hulpmiddelen voor genbewerking te gebruiken, zoals CRISPR om genomen aan te passen om zaken als droogteresistentie en hogere voeding.
“Snelfokken is een hulpmiddel in de schuur”, zegt Hickey. “De echte impact zal komen van het combineren van deze tool met andere technologieën die we hebben en die zich snel ontwikkelen in de plantenveredeling. CRISPR, genomica-instrumenten, genomische selectie en voorspelling.”
Maar de onderzoekers erkennen dat het niet eenvoudig zal zijn om alle fokkers over te zetten op het snelheidsfokregime. Oude gewoonten blijven hardnekkig bestaan en wetenschappers zijn van nature sceptisch. Voeg daarbij de veranderingen in de infrastructuur die nodig zijn om over te stappen op een dergelijke methode, en het is duidelijk dat er een hobbelige weg voor ons ligt. Toch hopen Hickey en Wright met hun onlangs gepubliceerde artikel dat andere fokkers en onderzoekers het potentieel in hun techniek zullen zien.
Voor degenen die geïnteresseerd zijn in het adopteren van snelheidsfokkerij, heeft Hickey een eenvoudige suggestie over hoe te beginnen: ‘Laat gewoon de lichten aan, maat.’
Aanbevelingen van de redactie
- Om meer ruimte te maken voor het vee, zullen de Nederlanders koeien verplaatsen naar een drijvende boerderij
