Embryo`s maken de plant - Wageningen UR E-depot

EMBRYO'S MAKEN DEPLANT
doorprof.dr. SaccodeVries
Inaugureleredeuitgesproken op3juni 1999.
Landbouwuniversiteit.
EMBRYO'S MAKEN DE PLANT
Meneer deRector Magnificus, damesen heren,
Planten beginnen hun leven alsembryo.Tijdens de
embryogeneseontwikkelt zichuit een enkelecel,de
bevruchte eicel,eenplantenembryo dat uiteindelijk
bestaat uiteen groot aantal cellen. Dezecellen worden
gerangschikt volgenseen bepaald patroon, datkarakteristiekisvoorhettypeplant. Het vakgebied datzich
bezig houdt metde vraag hoeeenindividu zich ontwikkelt uiteen enkelecelisdeontwikkelingsbiologie endit
is het aandachtsgebied van de leerstoelgroep
Moleculaire Biologie.
Vanuit wetenschappelijk oogpunt isdevorming van het
plantenembryo een zeerboeiend proces.Niet inhet
minst omdat in planten de mogelijkheid bestaat omhet
gehele proces vanembryogeneseooktelaten beginnen
van een andereceldan debevruchte eicel. Passend inde
traditievaneenondernemendeenopdepraktijk gerichte
universiteit alsdeonze isdewetenschappelijke interesse
niet deenigereden dat wij aanplantenembryo'swerken.
Erbestaan een groot aantal toepassingen vanplantenembryo's, zoals vermeerdering vanplanten, alsmiddel
omveredelingsprogramma'steversnellenenalsvoedingsmiddel.Daarmee ishetplantenembryo niet alleen een
pijier vande Kenniseenheid Plant, maar als het ware
'corebusiness' van het geheleWageningen Universiteit
en Research centrum.
Onderzoek naar deembryogenèse van hogere
planten.
Plantenembryo'szijn normaal gesproken niet met het
bloteoog zichtbaar omdat zeontstaan in het binnenste
vaneen bloem,en wanneer zeontwikkeld zijn, keurig
ingepakt en ingedroogd in een zaad verspreid worden
door wind,waterof dier.
Plantenembryo's leveren indirect een grotebijdrage aan
onzevoeding.Inveel levensmiddelen zoalsrijst,mais
enallegranenbestaatheteetbaregedeelteuitendosperm
endit ishet reservevoedsel dat het plantenembryo mee
krijgt in hetzaad. Inandere gevallen, zoalsbij peulvruchten bestaat heteetbare gedeelte zelfs uit het
embryo zelf, aldan niet incombinatie met het zaaden
degehelepeul.
Plantenembryo's maken tijdens hunontwikkeling voor
heteerst in hetnieuwe leven van eenplanttweebelangrijke groepen van cellen,hetprimaire wortel-en scheutmeristeem.Uitdeze meristemen ontwikkelen zichlater
alleorganen vaneen volwassen plant, inclusief debloemen.Mogelijk later aante leggen organen zoals bijvoorbeeld zijtakken of knollen worden gemaakt met behulp
van secundaire meristemen. Dit betekent datplanten het
vermogen behouden ommeristemen temaken,endatdit
niet alleen gebeurt in hetembryo.Primaire meristemen
moeten dusniet alleen in staat zijn omnauwkeurig alle
organen van eenplant te vormen, zemoeten datook
zoals bijvoorbeeld bijbomen,eeuwenlang op dezelfde
wijze blijven doen.Als nuhet primaire meristeem inhet
embryo niet goed wordt aangelegd, dan kan dit ernstige
gevolgen hebben voor het functioneren vandeplant
gedurende degehele levenscyclus. Nogmaar vrij recent
zijn deeerste series genen geidentificeerd die betrokken
zijn bij het aanleggen van demeristemen in hetembryo.
Plantenembryo's kunnen ook worden gemaakt uitgaande
vananderecellendandebevruchteeicel.Integenstelling
totdieren,kunnen somatische,of gewone lichaamscellen vanplanten ook uitstekend embryo's vormen.
Deze somatische embryo's zijn in principe hetzelfde als
denormale plantenembryo's enkunnen ook keurigtot
volwassen planten uitgroeien. Hieropiseen bloeiende
bedrijfstak gebaseerd die zichbezig houdt metdevermeerdering,oftewel hetklonen vanplanten volgensde
zogenaamde reageerbuismethode.
Het zalunadezekorteopsomming niet meer verbazen
dat plantenembryo's sterk in debelangstelling staan als
onderzoeksobject bij deLandbouwuniversiteit enhet
DLO.Dit heeft ermedevoor gezorgd dat Wageningen
een grotenaam heeft ophet gebied van de reproductie
van planten.
Ikwil ueerst laten zien hoehetplantenembryo gevormd
wordttijdens denonnaleontwikkeling, en als illustratie
gebruik ikdaarvoor de 'modelplant'Arabidopsis thalianaof zandraket.Vanwegedebeperkte grootte van het
genoom (het erfelijk materiaal,DNA,zoals datbij eukaryoten in dekern ligt georganiseerd), dekortegeneratietijd, bevruchting door middel van zelfbestuiving en uitgebreidecollecties mutanten isArabidopsis het modelorganismebij uitstek geworden van ontwikkelingsbiologen.Wereldwijd vindt zeerveel onderzoek plaatsaan
Arabidopsis, zodat mendebeschikking heeft over heel
veel onderzoeksmethoden. Zobestaan er wereldwijd
grotecollecties van mutanten en wordt het steedseenvoudiger om vaneen interessant mutant fenotype te
komen tot het gen datbij hetfenotype hoort.
Zygotische embryogenèse: Gametogeneseen
bevruchting.
Hetzygotische embryodankt denaam aan het woord
zygote,dat isafgeleid van hetGriekse 'zugos'of
'zugon' hetgeen 'verbinding'of 'juk' betekent.De
zygoteontstaat nadat defusie van dekern van deeicel
endie van de spermacelcompleet is.Uit de zygote
wordt vervolgens het embryo gevormd.Alvorens over
hetembryo zelf te spreken wil ikukortinleiden inde
ontstaansgeschiedenis vandeeicel.
Devrouwelijke gametofyt of deembryozak bestaatin
Arabidopsis uit 8haploide cellen1.Een daarvan isde
eicel,geflankeerd doortweeanderecellen,deSynergiden,
dekern vandecentralecelen drieantipodale cellen.
Omdeze structuur heenbevinden zicheen aantal lagen
weefsel, waaronder debinnenste en debuitenste integumenten.Deze lagen zullen latergezamenlijk dezaadhuid gaan vormen (Figuur 1).
chaiazalpole
antipodalcells
embryosac
centralcell
polarnuclei
synergids
eggcell
integuments
micropytarpole
Figuur1
Schematische voorstelling van deembryozak in
Arabidopsis thaliana ophetmoment van de bevruchting.
InArabidopsisbevindtzichdeembryozakmetdaaromheendeintegumentenenuiteindelijk dezaadhuid ineen
hauw.Dezehauwisheteindresultaat vandeontwikkeling
vandestamperindebloem.
Stuifmeel datlandtopdestempel,vormtnaontkiemen
eenpollenbuisdiedestijl ingroeitenuiteindelijk zijnweg
vindtnaardeonderkantvanhetovulum,daarinbinnendringtviadezogenaamdemicropilaireopeningenzich
vervolgenseenwegbaantdooreenvandeSynergiden.
Uitdetopvandepollenbuiskomenervervolgenstwee
spermacellen vrij. Integenstellingtotdieren,vindterbij
plantendannieteenenkele,maareendubbelebevruchting
plaats.Eénspermacelfuseert metdeeicel,omdezygote
tevormen,eneentweedespermacelfuseert metdecentralecelkern.Decentralecelvormtuiteindelijk eenmultinucleairendosperm.Dezygotevormtuiteindelijk het
embryo.InArabidopsisontwikkelen zichhetendosperm
enhetembryominofmeergelijktijdig, zijhetdatde
delingen inhetendosperm vaakietsvoorlopenopdievan
hetembryo.Invergelijking metandereplanteniserin
Arabidopsisweinigendospermenalshetembryovolwassenisgeworden lijkt hetvolledigverdwenen.
Zygotischeembryogenèse:hetembryo.
Enigeurennadebevruchtingbegintdezygotezichinde
lengtetestrekken.Deeerstezygotischedelingresulteert
danineenbasalecel,aandeonderzijde eneenapicalecel,
aandebovenzijde.Ditisheteerstezichtbaretekenvande
apicaal-basalepolariteit,dieuiteindelijk zalbepalenwaar
zichdewortelenwaarzichdestengel zalontwikkelen.De
basaleceldeeltzicheenaantalmalenindwarserichting,
omeenlangerestructuurteverkrijgen dieuiteindelijk de
suspensorwordt.Debovensteceldeeltzicheersttwee-
maalindelengterichtingeneenmaaldwars,omhetzogenaamdeoctantof8-celligstadiumtebereiken.Behalveeen
gedeeltevandeuiteindelijke wortel,dievandebovenste
celvandesupensorafkomstig is,wordthetgehelevolwassenembryogevormduitdenakomelingen vandebovenste
cel.Nahetoctantstadiumwordtviaeenbijzondere richtingindevolgendedelinghetzestien-celiigstadium
bereikt.Nuhebbenzichvoorheteerstachtcellengevormd
dienietmeerincontactzijn metdeoppervlakte,endaarmeeisheteerstezichtbaretekenvanhetradialepatroon
vastgelegd.Hiernawordthetdelingspatroon watingewikkelderenonstaanmiddeninhetembryodeeerstevoorlopersvanhettransportweefsel, zodatnuhetradialepatroon
uitdrieelementen,deepidermis,fp*ond-weefsel entransportweefsel bestaat.Hetapicaal-basalepatroonontwikkelt
zichtegelijkertijd, enlangzamerhand beginnenzichde
onderdelen vanhethypocotyl,hetwortelmeristeem,de
voorlopersvanhetscheutmeristeem endetweekiemblaadjestevormen.Ditzietmeninhetzogenoemdehartstadium
vandeembryogenese.Verdereontwikkelinginhettorpedostadiumleverteenstructuuropdieeralbehoorlijk als
eenkiemplantje uitziet,enopditmomentzijndanookde
meesteonderdelenvandeplantinaanlegklaar2(Figuur2).
ü Ptmoamm
& Gfound ttaaue
L*vascular tissue
cot
Figuur 2Schematische voorstelling vande ontwikkeling
van hetArabidopsis embryo.
Veelvandekennisoverdeontwikkeling vanhet
embryo isafkomstig van debestudering van mutanten
die storingen hebben opgelopen inbijvoorbeeld deaanleg vaneen gedeelte van hetembryo3.Dergelijke mutanten worden vaak genoemd naar datgene wat zeniet meer
maken,zoals in hetgeval vandestmof 'shootmeristernless' mutatie4.In deze mutant wordt geen scheutmeristeem meergemaakt, enditbetekent dat het gendatin
deze mutant beschadigd isgeraakt ernormaal voor zorgt
daterzichwel een scheutmeristeem ontwikkelt. Het
STMgen blijkt tecoderen vooreen transcriptiefactor,
behorende toteen groepvaneiwitten diebepalen welke
gedeeltes van hetDNAgebruikt worden en welke niet.
Hiermee is hetSTMgen eenvan deregelgenen voorde
aanleg van het scheutmeristeem. Erzijn echter meer
genenbetrokken bijbijvoorbeeld het aanleggen vanhet
scheutmeristeem. Tweeanderegenen zijn interessant
omdat een ervan, wuschet5,net alshetSTMgen betrokken isbij deaanleg van alle scheutmeristemen, terwijl
een andergen,zwille,alleen betrokken isbij deeerste
keerdat het scheutmeristeem wordt aangelegd inhet
embryo.Het bestaan van dezemutatie laat zien dater
een embryo-specifieke ontwikkelingsvariant bestaat van
het scheutmeristeem6.
Opdezewijze zijn nu een aantal genen geisoleerd die
betrokken zijn bij deaanleg en devorming van het
scheutmeristeem. Zoheeft een anderegroep vangenen
juist eentegenovergesteld effect opdeaanleg van het
scheutmeristeem, in diezin dat er 'teveel' van wordt
gemaakt. Een van diemutanten,clavatal1 genoemd
heeft een scheutmeristeem dat veel meer delende cellen
bevat dan normaal Dit verschijnsel ziet men ook inde
primordiatimingofpt mutant. Degevolgen hiervan zijn
datervele vertakkingen ontstaan enveel meer scheuten
gevormd worden.Het CLAVATAl gen isdus normaal
betrokkenjuist bij hetonderdrukken van de celdelingen
in het meristeem, encodeert voor een receptorkinase,
behorend tot een groepvan eiwitten diebetrokken is bij
het opvangen en omzetten van signalen. In dit geval dus
een signaal dat deceldeling afremt.
Zoontstaat ereenbeeld dat het scheutmeristeem dynamisch in stand wordt gehouden door de snelheid van
celdeling teregelen maarook de snelheid waarmee de
cellen verdwijnen uit het meristeem endifferentieren tot
bijvoorbeeld blad.Dezecontrole lijkt vooreen groot
gedeelteplaatstevinden vanuit deomringende reeds
aanwezige weefsels. Ditbetekent ook dat deeerstekeer
dat alleweefsels worden aangelegd inhetembryo,dit
nogzonderde aanwezigheid van een meristeem gebeurt.
Kennelijk wordter eerst een soort 'voorbeeld' patroon
gemaakt,zodathetmeristeem vanuitditpatroondejuiste
signalen kan krijgen.
Een benadering diein onzegroepisgevolgd maakthet
mogelijk omnaarontwikkelende patronen tekijken die
je eigenlijk niet kunt zien ingewonedoorsneden.De
techniekdiehiervoorwordtgebruiktlaathetaanschakelen
van genen zien metbehulp vaneen merker, inditgeval
eenblauwe kleur9. Opdezemanierkunnen we bekijken
wat ervooropdelingen gemaakt worden in hetbegin
van deembryogenese.Een van deze merkers geeft aan
dat alzeer vroeg decellen indebovenste helft van het
embryo anders worden dandiein het onderste gedeelte.
Door middel vaneen kruising tussen een plant metdeze
merkeren eenplant meteen mutatie inde aanleg van
het scheutmeristeem iste volgen of erbijvoorbeeld meer
of minder scheutmeristeemcellen aanwezig zijn. Dit
8
soort experimenten kan helpen omhet effect vaneen
bepaalde mutatie nader te verklaren.
Ik hoopdat uaan de hand van deze voorbeelden nueen
beeld heeft van het soort vragen dat gesteld wordt bij
hetbestuderen van dezygotische embryogeneseenhet
soort antwoorden dat menkan krijgen uit de studievan
mutanten enmerkers.
Somatische embryogenèse.
Embryo's kunnen inplanten ook gevormd worden
zonderbevruchting engeheel in vitro vanuit gekweekte
plantencellen. Ditbetekent dat het heleprocesvan
gametogenese waarover ik ueerder vertelde,of niet per
sénodig is voordeontwikkeling van hetembryo zelf,of
dater anderecellen zijn diedefunctie ervan kunnen
overnemen. Ditis een belangrijke vraag omtebeantwoorden,omdat hetkan helpen antwoord tegeven op
vragen die verband houden metdeoorsprong van het
plantenembryo.
Dezogenoemde somatische embryogenesewordt inde
praktijk gebruiktdoorstukjes vaneenvolwassenplantenonderdeelnabehandelingmethetplantenhormoon auxine
cellen kunnen maken dieembryogeen zijn geworden.
Ditbetekent dat zenavrij eenvoudige behandelingen in
staat zijn omopnieuw een volledig embryote vormen10.
Anders dan tijdens dezygotische embryogenese,dieper
definitie start vanaf dezygote,ishet inde somatische
embryogeneseveel moeilijker om te voorspellen welke
cel uiteindelijk hetembryo zal vormen. Reeds inde
jaren zestig was vastgesteld dat er ineen kweek van
plantencellen enkele cellen aanwezig zijn, die het vermogen hebben om een embryote maken11. Dit waseen
waarneming, diedevraag opriepof ergenen te vinden
zijn diegebruikt worden indergelijke enkelecellenom
embryo's te maken?Werk van onze groepheeft laten
ziendat dit zois,eneen van deze genen codeert voor
een eiwit, SERK (Somatische Embryogenese Receptor
Kinase),genoemd enbehorende tot dezelfde groepvan
eiwitten diebetrokken isbij het opvangen en verwerken
van signalen zoals besproken bij het aanleggen vanhet
scheutmeristeem. Voorwatbetreft SERK isalsvolgt
bewezen dat het gen voorkomt injuist dieenkele cellen
dieembryo's kunnen maken.De meeste genen bestaan
uiteen stuk dat deinformatie bevat voor heteiwit dat
door het gen gecodeert wordt en daarvoor een seriecontroleelementen dieervoor zorgen dat heteiwit ophet
juiste tijdstip, in dejuiste cel en onder dejuiste condities
gemaakt wordt. Deze elementen worden in demeest
eenvoudige vorm samen depromoter genoemd.Wanneer
wenu het SERK eiwit, dat weniet zondermeer kunnen
zien, vervangen door een eiwit dat normaal gemaakt
wordt doorvuurvliegjes, het luciferase, isde verwachtingdat de SERK promoter ervoor zorgt dat luciferase
gemaakt wordt ophetzelfde moment enin hetzelfde celtype alshet SERK eiwit.Opdeze manier zijn planten
gemaakt dielicht geven.Wanneer van die planten nu
een celkweek gemaakt wordt, isdeverwachting dater
ook enkele cellen zullen zijn die licht geven.Dat isook
zo,entoen wedieenkelecellen volgden in hun ontwikkeling,bleek dat alleen de lichtgevende cellen embryo's
konden maken12 (Figuur3).
10
lucifers»«
day1 day1 day2 day3 day6 day9
6'
é
day13
*»
Figuur3
Ontwikkeling van een SERKpromoter-luciferase bevattendecel toteen somatische embryo.
Een tweede vraag luidde of hetproces van somatische
embryogenesecel-autonoom is,m.a.w. of een enkele
geisoleerde celeenembryo kan vormen zonder deaanwezigheid van andere cellen of deproducten vandeze
cellen. Deze vraag isvoor watbetreft embryogenese
vanuit enkele cellen nogniet rechtsstreeks beantwoord,
maareen van demeest elegante experimenten opdit
gebied is gedaan doordegroepvan Koop13,diemet
behulp vaneen enkel-celskweek systeem vaststelde,dat
alleen wanneer een tweede,niet delende cel aanwezig
was,deeerstecelkondelen.Zoontstaat hetbeeld van
een suspensiecultuur diebestaat uit een groot aantal
verschillende en elkaar wederzijds beïnvloedende cellen
waartussen continu communicatie plaatsheeft, (figuur 4)
11
Single-andtwo-cell culture
experiment
'medium
conditioning'
C>
isolate
active factors
Spangentergetal.1985
Figuur 4
Hetexperiment van Spangenberg etal.(1985)datde
communicatie aantoont tussen plantenceilen.
Opbasis vandezeeneen groot aantal anderewaarnemingen isduidelijk geworden datookde ontwikkeling
vanplantenembryo's in weefselkweek afhankelijk isvan
stoffen dieworden uitgescheiden door andereplantenceilen.Eenhoofdmoot vanonsonderzoeknaarsomatische
embryogeneseis hetopzetten vantestsytemen omte
kunnen vaststellen wat deze stoffen zijn. Intweevan
dergelijke systemen blijkt dat zichbepaaldeeiwitten in
hetkweekmedium bevinden diedejuiste ontwikkeling
van hetembryo,maarook devorming van embryogene
cellen bevorderen. Metbehulp van een cellijn gemaakt
doordegroepvanTerzi in Italie,iseen van degevonden
eiwitten geïdentificeerd alseen chitinase14.Ditenzym
knipt debinding tussen twee suikers,N-acetylglucosa-
12
minedoor.Het verbazende van deze ontdekking wasdat
het veronderstelde natuurlijke substraat van chitinases,
chitine,alleen aanwezig is indecelwand van bepaalde
schimmels endieren meteen exoskelet zoals bijvoorbeeld kreeften. Ineerste instantie leek dezoektocht naar
de natuurlijke plantensubstraten van ditenzym een
moeizame onderneming, maarerblijkt toch in ieder
geval een kandidaat voor zo'n chitinase substraat te
vinden tezijn. Dezekandidaat iseen ander eiwit dat
behoort tot degroepvan uitgescheiden eiwitten meteen
stimulerende activiteit opdeembryogenese,dearabinogalactan proteinen ofAGPs.Zoontwikkelde zicheen
modelwaarbij iniedergevaltweeuitgescheiden eiwitten,
hetchitinase en hetAGP,opdeeen of andere manier
betrokken zijn bij hetproces van somatische embryogenese.Doortekijken waardeAGPs zichbevinden lijkt
heteropdatzegemaakt worden doorcellen dienietzelf
embryo's maken.Dit zou dus mooi passen inons model
waarbij anderecellen betrokken zijn bij het maken van
embryo's in weefselkweek.
Devraag isnu of dergelijke helpercellen dan ook aanwezig zijn tijdens dezygotische embryogenese.Wij
hebben dit naderonderzocht doornaar zowel hetAGP
als het chitinase tekijken inontwikkelende zadenen
vonden inderdaad datbeideeiwitten zichindeonmiddellijke omgeving van het embryo bevonden. Dit versterkteweerhetideedatveelvandefuncties diegebruikt
worden bij denormale zygotische embryogeneseook
gebruikt worden bij de somatische embryogeneseen
andersom15.
Moleculaire genetica in de somatische embryogenèse.
Hoewel hetoverwegend biochemisch en celbiologisch
13
getinte onderzoek ons veel heeft opgeleverd, bleek gaandeweg dat debeperkingen van het werken met systemen
voor somatische embryogenesewaarbij geen genetica
mogelijk iseen groot nadeel is.Ditbracht onsertoeom
een systeem voor somatische embryogeneseopte zetten
incultures vanArabidopsis,want indezeplant is,zoals
ikeerder vertelde degenetica zeer sterk ontwikkeld16.
Dit wasineerste instantie gebaseerd opmutanten met
een hoog regeneratievermogen, maaris nuook mogelijk
in wild-types.Een vandetoekomstige elementen waar
wij aandacht aangaan besteden betreft devraag hoeveel
genen erbetrokken zijn bij het vermogen om somatische
embryo'ste maken endieeen cel kunnen instrueren dat
zenu niet meer behoren tot een bladof stengel,maar
zich moeten voorbereiden opeen toekomst alsnieuw
embryo.
Vooralsnog lijkt heteropdatereen aantalgenen is
waardoor het vermogen tot het maken van somatische
embryo's onderdrukt wordt. Planten waarbij dezegenen
zijn uitgeschakeld makenjuist meerembryo's, maar
dezeplanten hebben vaak ook andere afwijkingen die
eropduiden datdecontroleophet uitvoeren vanceldelingen inbijvoorbeeld het scheutmeristeem verstoord is
geraakt.Zoblijken verrassed genoeg zowel dept alsde
clavatal mutanten ook heel goed in staat om somatische
embryo's duseen meer afgeleid effect16. Mogelijk zijn
ernog veel meer vandergelijke genen,diein de normalesituatie dusbetrokken zijn bij het voorkómen van
somatische embryogenese.Dit lijkt een voorbeeld van
een negatief regulatiemodel, dat ook wordt gebruikt bij
decontrolevanceldeling,hoewelookdaarde werkelijke
situatie veel complexer is.Zokunt uzich voorstellen dat
somatische embryogenesespontaan begint alserbepaal-
14
deremmende factoren worden verwijderd, maar hetzou
ook goed kunnen dat dit slechtsdeeerste fase is,endat
daarna in zulke 'vrijgemaakte' of competente cellen pas
gericht een embryogeneseprogramma kan worden aangezet.
Natuurlijke niet-zygotischeembryogenèseof
apomixieen competentie voor embryogenese.
Hetblijkt datin een aantal plantensoorten zaden met
daarin normale levensvatbare embryo's worden gevormd
zonderbevruchting. Omdat dezeembryo's van somatisch weefsel van deouderplant afkomstig moeten zijn,
is hun genetische samenstelling exact gelijk aandievan
demoederplant17. Dezeapomictische embryo'svertegenwoordigen een vorm van 'natuurlijk' klonen dievan
groot belang isvoor deveredelingsindustrie. Apomixie
zou, wanneer het geinduceerdkan worden in cultuurgewassen, een grotebijdrage kunnen leveren aan he
bijvoorbeeld snel kunnen introduceren vanrassen met
betere eigenschappen en het versneld kunnen inspelen
opveranderde vragen uit demarkt. Erbestaan verschillende vormen van apomixie,diegekenmerkt worden
door storingen indeméiose,zodat diploide gameten
ontstaan. Deze gameten hebben geen bevruchting nodig
omeen embryo tevormen, zedoen dat spontaan. Niet
alleen degameten, somskunnen ook cellen van het
omringende matemale weefsel geinduceerd worden om
een embryote maken,diedan het normale zygotische
embryo verdringt of wegcompeteert. Inaldeze gevallen
blijken erdus behalve deeicel andere cellen tezijn die
het maken vaneen embryo kunnen overnemen. Inde
meeste van dezecellen komt heteerder genoemde
SERKgen tot expressie,en hetblijkt dat ook in sitiu-
15
atieswaar natuurlijke apomixie optreedt de voorlopercellen van deapomictischeembryo's dit gentotexpressiebrengen. Ditondersteunt hetbeeld dat zo langzamerhand van dit gen isgevormd, dat hetdecompetentie van
cellen aangeeft omeen embryo te vormen.
Arabidopsis als modelsysteem:opweg naar het
virtuele plantenembryo.
Erdoen zich met hetgebruik vanArabidopsis als
modelsysteem geheel nieuwe mogelijkheden voorom
het proces van embryogenesete lerenbegrijpen. Het
Arabidopsis genoom is meteen geschatte groottevan
120.000.000baseparen aan DNAongeveer een/dertigste
van dat van demens.Deexacte basenvolgorde hiervan
zal volgendjaar beschikbaar komen. Hetmoge duidelijk
zijn dat hetomgaan metdeze informatie slechtskan
plaatsvinden metbehulp vangeavanceerde volledig
gecomputeriseerde gegevensbestanden. Dit brengt met
zichmeedat intoenemende matedeze informatie uitsluitend nog in silico' aanwezig isenniet meer in bijvoorbeeld papieren vorm.Naar schatting zullen zichin
hetArabidopsisgenoomongeveer25.0(H)genenbevinden,
waarvan defunctie maar voor slechtseen gedeelte
bekend zal zijn.
Een vandemethoden die mennu toepast omer achterte
komenwelkegenenbetrokken zijn bijeenbepaaldproces
isommetbehulp van zogenoemde DNAmicroarrays,of
DNAchips naarhet aan-en uitzetten van allegenenin
een genoom tegelijk tekijken. Zo heeft een relatief
simpel experiment waarbij gistcellen gekweekt werden
inrijken in arm medium een indruk gegeven vande
reactie van het gehele gist genoom (zo'n 6000genen)op
een dergelijke behandeling,terwijl wij tot nutoe
16
gewend waren aanexperimenten met slechts enkeleof
hooguittientallen genen tegelijk. Hierdoor kon men
bepaalde metabolische routes volledig inkaart brengen,
niet alleen deenzymen die vooreenbepaalde omzetting
zorgen, maarookallecontrolegenen diezo'n routeaan
of uit zetten.
Wijhebben zelfonlangseeneersteDNAarrayexperiment
uitgevoerd om naar het aanen uitzetten van 12.000
genen,ofongeveer de helft van hetArabidopsis genoom
tekijken tijdens devorming van embryogene cellen in
Arabidopsis. Met 11.400gebeurde niets,200werden er
uitgezet en400andere aangezet tijdens deembryoinductie.Deidentiteit van aldezegenen isdirect bekend
enkan viainternet meteen muisbeweging wordenopgezocht enindien gewenst direct on linebesteld omde
echteversiethuisgestuurdtekrijgen.Eengrootprobleem
opdit moment isdat wij nog nietbeschikken overgoede
verwerkingssystemen omdergelijke grote hoeveelheden
datatekunnen hanteren enteinterpreteren. Daarvoor is
deontwikkeling van een nieuw terrein alsde bioinformaticanodig,waarin meneen steeds verdergaandeintegratie vanbiologische gegevens opgeslagen ininteractievedatabasesverwacht,omhethoofd tekunnenbieden
aan deovermaat aan informatie dieernu geproduceerd
wordt.
Medeopgrond vandergelijke studies maakt menal
computersimulaties van hele signaaltransductieroutes en
biochemische pathways.Erbestaat sinds kort zelfs een
gesimuleerde hypothetische minicel van 127genen die
keurig "leeft' van glucose,energie genereert, eiwitten
maakt en afvalstoffen uitscheidt. Men kan via Internet
DNAchipexperimenten18 enbiochemische simulaties19
geheel in silico uitvoeren20.
17
Hetisteverwachten dat over niet alte langetijd de
eerstegeheel virtueleceldeling zal plaatsvinden.
Uiteindelijk kunnen dezeontwikkelingen ertoe leiden
daternaast het zygotische en het somatische embryo
ook het virtueleArabidopsis embryo komt. In eerste
instantie moet zo'n virtueel embryo hetnatuurlijk nog
hebben vaneen wiskundige nabootsing vanderegelmatige ontwikkelingspatronen in een echt embryo,maar
uiteindelijk zullen intoenemende matedegenen ende
ervoorcoderende eiwitten kunnen worden ingevuld die
deze ontwikkelingspatronen sturen. Hoewel dit nogeen
eind weg is,ishet aardig om aleens nakunnen denken
overdemogelijkheden hiervan.Voorspeld zou dankunnen worden watergebeurt wanneerbepaalde groepen
van genen uitgezet of ophet verkeerde moment weer
aangezetwordenenwelkedelingenbijvoorbeeld cruciaal
zijn en welkeniet.Ook hetinterpreteren van bestaande
en nieuwe mutante embryofenotypes wordt mogelijk.
Onmogelijk? Auto's en vliegtuigen worden nu al reeds
vooreen flink gedeelte eerst virtueel gebouwd en getest,
voordat ereen eersteechtemodel gemaakt wordt. De
denk niet dat iemand dat hadvoorzien ophet moment
dateen flink gedeelte van het huidigewagenpark nogop
detekentafel stond. Eenbiologisch systeem is natuurlijk
aanmerkelijk gecompliceerder enbevat veel meer verschillende onderdelen die metelkaar communiceren.
Toch ishet aantal morfologische beslissingen dieeen cel
kan nemen (delen,niet delen, strekken, differentieren)
mogelijk beperkt genoeg alsuitkomst van alle moleculairecomplexiteit om een virtuele benadering mogelijk
te maken.
18
Financiering en commercialisering van
plantenondcrzoek.
Onderzoek isduur,ergduur zelfs en zal indetoekomst
alleen maarduurder worden.Totnutoezijn de
Landbouwuniversiteit, destichting Nederlands
Wetenschappelijk Onderzoek, deEuropese Unieeneen
bekend veredelingsbedrijf in hetnoorden des lands
financiers geweest van onsonderzoek endanmet name
indevorm vanpersoneelsplaatsen. Deexperimenten die
in detoekomst gedaan gaan worden zijn echter vaneen
heel andere ordevan grootte.Het maken vaneen
bescheiden DNAchipverbruikt het helejaarbudget van
een NWOOnderzoeker-In-Opleiding.Het opzetten van
sytemen voorhetgebruik vanbiologische gegevens is
zoduurdat dit landelijke enEuropese initiatieven vereist. IndeVerenigde Staten wordtopdit moment al
ruim 500miljoen dollargeinvesteerdin multidisciplinairecentra diezich gaanbezighouden met genoomanalyse
enbioinformatica20. Perminuut worden er wereldwijd
zoveel nieuweDNAsequentiegegevens gegenereerd, dat
voorhet einde vandestudie vandehuidige eerstejaars
deDNAvolgordes van gehele genomen inclusief dat
vanonszelf bekend zal zijn. Indit veld geldt nog sterker
dan in andereonderzoeksterreinen dat zonder investeringen eropkortetermijn groteachterstanden opgelopen
worden.Wil mendusin Europabijblijven indezetak
vanonderzoek dan moeterzeerveelgeinvesteerd worden in bioinformatica.
Een voordehand liggende oplossing isom dezeinvesteringen te vergroten isdoor middel van exploitatie van
kennis.Zelfs organisaties die van oudsher vrij toegankelijke biologische databases beheren zijn gedwongen
omdeweg vande 'verzilvering'optegaan. Hoewel dit
19
grote risico's met zich meebrengt ten aanzien vande
vrije uitwisseling van wetenschappelijke gegevens,is
het aan deanderekant zodat grote investeringen nodig
om voortgang teboeken alleen worden gedaan alsde
commerciële belangen gewaarborgd zijn middels
bescherming in devorm van bijvoorbeeld patenten.
Een erggoedeontwikkeling vind ikdebloei diekleine
Nederlandse bedrijven, gespecialiseerd in bijvoorbeeld
moderne weefselkweektechnieken of in moleculaire
diagnostiek, op het moment meemaken. De mogelijkheid diedezebedrijven bieden om werkgelegenheid te
bevorderen entechnologietebehouden en medeteontwikkelen isuiterst belangrijk. Een flink gedeelte van de
promovendi enpost-docsdie inonze groephebben
gewerkt, werken nuin kleineen middelgrote bedrijven.
DeEU,en met namedecollega's vanDGXIIdiezich
bezighouden met deLevenswetenschappen, hebben in
hetverleden een grote rol gespeeld bij het samenbrengen van collega's uit alle landen van deEU samen met
bedrijven. Hierdoor isinde loopderjaren zowel een
formele alseen informele infrastructuur ontstaan diewat
betreft belang voor hetonderzoek ver uitgaat boven de
directe doelstellingen van deprojecten. Een voorbeeld
hiervan is hetdoor deEuropese Unie gefinancierde
European Plant Embryogenesis Network dat inmiddels
een internationale bekendheid heeft verworven inhet
veld. Ook hier isgebleken, dat samenwerking tussen de
50universiteiten en 10bedrijven diedeelnemen resultaten
oplevert. Misschien hetbelangrijkste aspect van deze
netwerken isdat veel promovendi en post-docswerk
vinden bij andere aangesloten groepen en uiteindelijk
terecht kunnen komen in deelnemende bedrijven.
Hierdoor blijft dekennisstructuur niet alleen in stand,
20
maarook binnen Europa.
Het isvan hetgrootstebelang omtekomen tot nieuwe
landelijke enEuropese initiatieven omArabidopsis
onderzoek te stimuleren. In het bijzonder de vorming
van hetArabidopsis thaliana embryo moet een speerpunt
blijven in hetplantenonderzoek. Het leren begrijpen van
hetfunctioneren vanplanten,en hetzogoed mogelijk
gebruik maken van dekennis die alis bijeengebracht
maken dat een sterkeArabidopsis gemeenschap ookbinnenWURdeenige weg isom optermijn concurrerend
teblijven inhet plantenonderzoek.
Zoals veel dingen isookfinancieringvan wetenschappelijk onderzoek onderhevig aan modeverschijnselen. Nog
niet erg langgeleden waseralgemeen grotezorgover
detoename in dewereldbevolking, uitputting van grondstoffen endeverwoesting vandenatuur en het milieu.
Planten zijn een onmisbaar onderdeel van het herstel
vandeopgelopen schade.Het laatste wat men danzou
verwachteninNederlandisdesterktoegenomen tendens
totafbrokkeling vandemiddelen enpositiesvoorplantenonderzoek. Helaas ishier sprake van een tendens die
ookEuropees en zelfs mondiaal waarneembaaris.
Hetzalookiedereen duidelijk zijn dat de onderwerpen
universiteit enwetenschappelijk onderzoek zeerlaagop
depolitieke agenda staan21,22.Gelukkig dient zichuitde
hoek van het bedrijfsleven steeds meerongerustheid aan
over voortzetting van ditbeleid. Ineen interview metde
voorzitter van hetVNO-NCW,betoogt deze dat erveel
meer nadruk moetkomen optechnologie en wetenschapsbeleid23. Ikhoopdatdeze signalen worden opgevangen en in klinkende euro'sten behoeve van hetplantenonderzoek zullen worden omgezet.
21
Onderwijs.
Kort namijn indiensttreding bij Moleculaire Biologie
werd ik naargoed gebruik van watpas veel later
'human resource management'genoemd zou worden, bij
voorkeur ingezet bij onderwijselementen dieeen samenwerking met decollega's van Biochemie inhielden.
Waardezegezamenlijke onderwijselementen tot voor
kort nog steedsdegeest van detraditionele verschillen
tussen beide disciplines weerspiegelden, zijn wijnu
bezig met een herziening die meer zal aansluiten opde
hedendaagsepraktijk, waarbijdezeverschillen vervagen.
Onderwijselementen zoalsdegezamenlijke vakken
Celfysiologie Ien IIzijn daargoede voorbeelden van.
Hetisook een gelukkige omstandigheid om lid te zijn
van derichtingsonderwijscommissie(ROC)T34
Biotechnologie.Deverantwoordelijkheid voorhet
programma endegemakkelijke wijze van met elkaar
omgaan enproblemen oplossen isbijzonder stimulerend.
Ook derol van het Onderwijsinstituut Technologieen
Voeding waardeze ROConder resorteert is doortrokken
van dezelfde dadendrang en wilomonderwijs te blijven
verbeteren.
Indehuidige ontwikkelingen aandeWageningseuniversiteit ophet gebied van onderwijs valt veel positiefs
teontdekken. Ophet eerstegezicht moet er steeds meer
met steeds minder worden gedaan. Nu verdelingsmodellenuitsluitend opbasis van aantallen studenten tot het
verleden behoren, isdit een stimulans om noodzakelijke
stroomlijning enonderwijsvernieuwing juist nudoorte
voeren.
Basiskennis isnatuurlijk basiskennis, maar waar vakken
zichontwikkelen zalook debasiskennis meemoeten
ontwikkelen teneinde detotale hoeveelheid in 5jaar
22
meetegeven vaardigheden binnen deperken van het
redelijke tehouden.Veelonderwijs inbasiskennis leent
zich uitstekend voor hetaanbieden van stof ineen meer
gevarieerde vorm,waarbij hoorcolleges afgewisseld
worden met zelfstudie, simulaties via computerondersteund onderwijs in een Internet omgeving engeïntegreerd metpraktika.Dergelijke vormen lenen zichook
beter voorprobleem gericht onderwijs (PGO).
Een anderonderwijselement waarikmij zeer betrokken
bij voel isdecursus Bioinformatietechnologie, eeninitiatief van leden vande sectieMoleculaire Genetica van
Industriële Microorganismen. Bij dezecursus werken
vier verschillende onderzoeksgroepen nauw samen.In
dit vak,dat afgelopen jaar voor het eerst isgegeven,
wordt inzicht gegeven indemanieren waaropDNA
sequentiegegevens worden verzameld en via Internet
toegankelijk worden gemaakt.
Het belang van dit vak voordeopleiding van
Wageningse ingenieurs isduidelijk onderkend en heeft
aanleiding gegeven tot hetopzetten van een verdergaand
curriculum samen met collega's van DLOendeKU
Nijmegen.
InWageningen wordtover het algemeen onderwijs
verzorgd dat zichkan meten met het beste in Nederland.
Ineen recente aflevering van het alumniblad vande
RUGroningen, lasikineen interview meteen aande
RUG afgestudeerde biologedat haareerste wensdestijds wasominWageningen tegaan studeren, maardat
haarVWOexamencijfers daarvoor niet hoog genoeg
waren24.Deze waarschijnlijk onbedoelde odeaan het
niveau vanonzeopleidingen illustreert mijns inziens
weldewegdiegevolgd moet worden. Onderwijs van
hoog niveau isprima terealiseren in een universitaire
23
instelling vanbescheiden omvang zoalsdeLU,metde
mogelijkheid van veel individueel contact tussen docenten en studenten.
24
Dankwoord.
Aan het einde van deze rede wil ikgraag een aantal
personen bedanken dieeen benoeming alsdeze mede
mogelijk hebben gemaakt.
Daar zijn alseerste mijn ouders.Opgeheel eigen wijze
zijnjullie sterkbetrokken geweest bij mijn opleiding die
viathuisonderwijs inhet Midden-Oosten enHBSin
Leeuwarden uitmondde in een studie aan de
Rijksuniversiteit Groningen. Vanaf dezeplaats nogmaals
mijn bijzondere erkentelijkheid voorjullie belangstelling
en steun.
JosWessels,mijn promotor, heeft mij geleerd hoemen
een wetenschappelijk stuk in het Engels moet schrijven.
Dit iseen vaardigheid dienooit onderschat moet worden
en waarikveel aan hebin mijn verdere carrière.
Harry Hoge die mij ophet groenepad gebracht heeft.
Ton Bisseling,die mij in 1983aannam alspostdoc,en
mij na slechts9 maanden alzagvertrekken. Sindsdien
ben ikbezig omdit goed te maken enen hoopdatnog
langtekunnen blijven doen. Moleculaire Biologie iseen
geweldig labdat drijft opjouw vernieuwingsdrang en
georganiseerde chaos.
Abvan Kammen,die mij deverantwoordelijkheid voor
wateerst nogdePenengroep heetteheeft toevertrouwd.
Ab,erzijn alveel lovende woorden overje gesproken
endaar wil ikernog een aantoevoegen. Het belangrijksteishet doen van aardigeproeven en daarproberen we
ons aante houden.
Maarten Koornneef voor zijn ondersteuning vande
voordracht endeRaad van Bestuur vanWageningen UR
voor hun vertrouwen dat geresulteerd heeft indeze
benoeming. Collega'sbinnen enbuiten deLU zijn erte
veel omoptenoemen. Ikhoopdat wenog lang inde
25
gelegenheid zullen zijn omdeze universiteit te blijven
maken tot de unieke instelling in Nederland eninde
wereld die hetis.
DeEmbryogenesegroep orEmbryogenesis groupconsistsof awidely divergent andcontinuously changing
collective of very different andtemperamental peopleto
whom Iowealargepart of the successes wehad.I
apologize tothem for thefact that itis only myself that
hasbecome aprofessor. Ifeel that all of you have
become onetoday.
Ingrid, een betere steun,toeverlaat en vriendin kan
niemand zich wensen. Dank zijjou, Nora en Peter heeft
mijn leven glans.
Ik heb gezegd.
26
Referenties
1 Drews GN,LeeD,Christensen CA(1998) Genetic
analysis of female gametophytedevelopment and
function. Plant Cell 10:5-17
2 LauxT,Jürgens G(1997)Embryogenesis:Anew
start in life. Plant Cell 9:989-1000
3 Mayer U,Jürgens G(1998)Pattern formation in
plant embryogenesis: areassessment. SemCellDev
Biol 9:187-193
4 Long,J.A., Moan,E.I.,Medford, J.I. and Barton,
M.K. (1996)Amember of the KNOTTED classof
homeodomain proteins encoded bythe STMgeneof
Arabidopsis.Nature 379,66-69.
5 Mayer, K.EX, Schoof,H.,Haecker,A.,Lenhard, M.,
Jürgens,G. andLaux,T.(1998).Role of WUSCHEL
inregulating stem cell fate in theArabidopsis shoot
meristem.Cell 95,805-815.
6 Moussian B,Schoof H,HaeckerA,Jürgens G,Laux
T (1998)RoleoftheZWÏÏXE genein the regulation
of central shoot meristem cellfate during
Arabidopsis embryogenesis.EMBOJ 17:1799-1809
7 Clark SE,Williams RW,Meyerowitz EM (1997)The
CLAVATA1geneencodes aputativereceptor kinase
that controls shoot andfloral meristem sizein
Arabidopsis.Cell 89:575-585
8 Steinmann,T.,Geldner, N.,Grebe,M.,Mangold, S.,
Jackson, C.L., Paris,S.,Gälweiler,L.,Palme, K.,
Jürgens,G. (1999)Arabidopsis GNOMprotein isan
ARFGEFinvolved incoordinated polar localisation
of auxin efflux carrier PIN1 (submitted)
27
9 Vroemen CW,Aarts N,InderRieden PMJ,Van
KammenA,DeVries SC(1998)Identification of
genesexpressed duringArabidopsis thaliana embryo
genesis using enhancer trapand genetrapDs-transposons.In:Lo SchiavoF,Last RL,Morelli G,
Raikhel NV(eds) Cellular integration of signalling
pathways inplant development. Springer-Verlag,
Berlin Heidelberg,pp 207-232
10 Reinert,J. (1959)Überdie Kontrolle der
Morphogenese und die Induktion von
Adventivembryonen inGewebekulturen aus
Karotten. Planta 53, 318-333.
11 Backs-Hüsemann, D.,Reinert,J. (1970)
Embryobildung durch isolierte Einzelzellen aus
Gewebeculturen vonDaucus carota. Protoplasma 70,
49-60
12 Schmidt EDL,GuzzoF,Toonen MAJ,deVriesSC
(1997)Aleucin-richrepeat containing receptor-like
kinase marks somatic plant cellscompetent to form
embryos.Development 124:2049-2062
13 Spangenberg, G., Koop,H.-U., Schweiger, H.-G.
(1985)Different types of protoplasts from Brassica
napusL.:Analysis of conditioning effects atthe
singlecell level.Eur.J. Cell.Biol.39,41-45
14 DeJong,A.J., Cordewener, J., Loschiavo,F., Terzi,
M.,Vandekerckhove,J., VanKammen,A.andDe
Vries,S.C. (1992)Acarrot somatic embryo mutant is
rescued by chitinase. Plant Cell 4,425-433.
15 VanHengel,A.J.,Guzzo,F.,VanKammen,A.and
DeVries,S.C. (1998) Expression pattern of the
carrot EP3endochitinase genes in suspension
cultures and indeveloping seeds.Plant Physiol. 117,
43-53.
28
16 MordhorstAP,Voerman KJ,HartogMV,Meijer EA,
vanWentJ, Koomneef M,deVries SC(1998)
Somatic embryogenesis inArabidopsis thalianais
facilitated by mutations ingenesrepressing meristematiccell divisions.Genetics 149:549-563
17 Koltunow,A.M. (1993)Apomixis -Embryo Sacs
andEmbryos Formed Without Meiosis or
Fertilization inOvules.Plant Cell 5, 1425-1437.
18 www.cmgm.stanford.edu/pbrown
19 www.e-cell.org en www.nrcam.uchc.edu
20 Shapiro,L. (1999)Exploring the systems of life,
Science 284,80-83.
21 Rampjaar. Piet Borst. NRC,30jan. 1999.
22 Universiteit heeft geen markt. KasjaWeenink en
Elsbeth Brouwer.DeVolkskrant, 22september 1998.
23 Concurrentiepositie van bedrijven is verslechterd.
Verslaggeving.DeVolkskrant, 19mei 1999.
24 Broerstraat 5,Alumniblad RU Groningen,
maart 1999
29