De aardappel en zijn ziekte: gen tegen gen
De cultuuraardappel is zeer gevoelig voor de aardappelziekte. De boosdoener is een waterschimmel. Om deze goed te kunnen bestrijden is het zaak om de genen van deze waterschimmel goed te kennen.
De vijand
De waterschimmel die de aardappelziekte veroorzaakt heet Phytophthora infestans. Alle soorten binnen het geslacht Phytophthora infecteren planten. De naam komt van het Griekse phyto (plant) en phthora (vernietiger). Phytophthora infestans komt wereldwijd voor en is de meest beruchte van het geslacht. De leden van het geslacht Phytophthora hebben een schimmelachtig uiterlijk maar het zijn toch geen echte schimmels. Uit DNA-onderzoek weten we dat Phytophthora dichter bij kiezeldiertjes en bruine algen staat en tot dezelfde groep behoort als malariaparasieten.
Genoom met vetzucht.
- Schimmeldraden met sporen (de zwarte bolletjes).
Van vier Phytophthora-soorten is de DNA-volgorde inmiddels bekend. Opvallend is dat van deze vier soorten Phytophthora infestans verreweg het grootste genoom heeft; 240 miljoen baseparen. Van de andere drie is het genoom meer dan de helft kleiner, slecht 65 tot 95 miljoen baseparen. Ze hebben ook iets minder genen, maar dat is niet de oorzaak van het grote verschil. Het Phytophthora infestans genoom bestaat voor 75% uit repeterend DNA en transposon-achtige DNA-elementen. Repeterend DNA komt meerdere keren in het genoom voor; hetzelfde stuk DNA wordt dus heel vaak herhaald. Transposons zijn stukken DNA die kunnen springen van de ene plek in het genoom naar de andere. Ze kunnen zichzelf daarbij ook vermeerderen. Het oorspronkelijke transposon blijft dan behouden, maar de kopie belandt op een andere plaats. Ook kunnen andere stukken DNA, zoals genen, meeliften met transposons. Zo wordt het genoom alsmaar groter en worden genen voortdurend verdubbeld. Wanneer de kopieën door mutaties iets van elkaar verschillen ontstaan genfamilies. Die genfamilies geven Phytophthora zijn slagkracht.
Een supergrote genfamilie
Phytophthora infestans heeft één genfamilie die wel bijzonder groot is: een superfamilie met meer dan 550 leden. Ook andere Phytophthora soorten hebben vergelijkbare superfamilies maar deze zijn iets kleiner (350 leden). Het bijzondere aan deze superfamilies is dat de familieleden allemaal erg verschillend zijn. Hun enige overeenkomst is een stukje in het DNA dat voor vier aminozuren codeert. Dat is RxLR dat staat voor de aminozuren arginine-x-leucine-arginine. De x kan elk aminozuur zijn maar de R, de L en de tweede R zijn bijna altijd hetzelfde en zitten op dezelfde positie.
De wapens van de vijand
Al deze RxLR-eiwitten worden door Phytophthora in zijn omgeving uitgescheiden. Ze bevatten een signaalpeptide waaraan een cel herkent dat het eiwit naar buiten gestuurd moet worden. Een ziekteverwekker stuurt vaak eiwitten naar buiten. Het zijn de wapens waarmee hij de gastheer kan beschadigen. Dat kunnen bijvoorbeeld enzymen zijn die de celwand van de plant afbreken. Van de RxLR-eiwitten is bekend dat ze in de gastheercel terecht komen. Het RxLR-deel is de sleutel waarmee het eiwit de plantencel binnentreedt. Ook eiwitten van malariaparasieten beschikken over een sleutel die veel lijkt op het RxLR-motief. Ook deze sleutel geeft toegang tot de gastheercel, in dit geval rode bloedcellen in de mens.
De vijand rukt op
Eenmaal binnen doen de RxLR-eiwitten hun werk. Ze ondermijnen het verdedigingsapparaat van de gastheer en maken zo de weg vrij voor de ziekteverwekker om ongeremd de plant te infiltreren. De voedselvoorraad is praktisch onbeperkt en Phytophthora begint snel met de productie van nageslacht. Op één geïnfecteerd blad worden vele duizenden sporen gevormd. Iedere nakomeling beschikt weer over een arsenaal van meer dan 550 RxLR-eiwitten om de strijd voort te zetten. Door het flexibele genoom kan Phytophthora infestans zijn arsenaal steeds een beetje veranderen. Zodoende krijgt de aardappel nauwelijks de kans om zich effectief op een aanval voor te bereiden.
Maak de vijand tot je vriend
In een gewapende strijd spelen spionnen een belangrijke rol. Het motto “leer je vijand kennen” is ook op ziekteverwekkers van toepassing. Uit het genoomonderzoek weten we nu over welke wapens de vijand beschikt. Nu moeten we precies te weten komen hoe hij die wapens gebruikt. De geraffineerdheid waarmee de Phytophthora te werk gaat is verbluffend. De illusie dat hij zich voor altijd laat verslaan is niet reëel. Hij wil de ruimte hebben. Daarom is het beter Phytophthora te beschouwen als een vriend die je probeert te begrijpen. Met hoeveel ruimte kan hij toe? En kan Phytophthora infestans ook vreedzaam samenleven met de aardappel?
Nieuwe kansen
Uit het genoomonderzoek blijkt dat Phytophthora, naast de RxLR-eiwitten, nog vele andere eiwitten heeft die uniek zijn. Ze komen niet in planten en dieren voor en ook niet in echte schimmels of in bacteriën. Zo zijn er eiwitten die bestaan uit een soort antenne die op de buitenkant cel zit en een anker in de cel. De antenne kan signalen uit de omgeving opvangen en het anker kan de signalen doorsluizen naar de regelkamer, de kern van de cel. Door de signalen te verstoren kunnen we de regelkamer van Phytophthora misleiden en op die manier voorkomen dat Phytophthora de aardappelplant gaat infecteren. Of zo’n aanpak werkt wordt nog onderzocht.
Francine Govers, Wageningen Universiteit
