Chapter 7 Nederlandse samenvatting

Cover Page
The handle http://hdl.handle.net/1887/38624 holds various files of this Leiden University
dissertation.
Author: Tol, Niels van
Title: Phenotypic engineering of photosynthesis related traits in Arabidopsis thaliana
using genome interrogation1
Issue Date: 2016-03-24
Chapter 7
Nederlandse samenvatting
Niels van Tol
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
R10
R11
R12
R13
R14
R15
R16
R17
R18
R19
R20
R21
R22
R23
R24
R25
R26
R27
R28
R29
R30
R31
R32
R33
R34
R35
R36
R37
R38
R39
162 | Chapter 7
Fotosynthese is het proces dat planten gebruiken om energie te oogsten uit licht en vast te
leggen in de vorm van chemische verbindingen en wordt daarom beschouwd als de drijvende
kracht achter de productiviteit van planten. Ondanks het feit dat fotosynthese vormgegeven is
door vele miljoenen jaren van evolutie lijkt de theoretisch gezien maximaal haalbare efficiëntie
waarmee lichtenergie wordt omgezet tot biomassa betrekkelijk laag: 4,6% voor C3 planten en
6,0% en voor C4 planten. Onder natuurlijke omstandigheden zijn de condities waaronder
planten groeien meestal suboptimaal en daarom zijn de in planta omzettingsefficiënties vaak
niet hoger zijn dan 1%, wat ook geldt voor belangrijke gewasplanten. Er lijkt dus ruimte te
zijn voor het verhogen van de efficiëntie van fotosynthese van gewasplanten tot de theoretisch
mogelijke 6,0%. De verhoging van fotosynthetische efficiëntie - op wat voor manier dan ook
- is essentieel om de snel groeiende wereldbevolking van voldoende plantaardige producten
te kunnen voorzien. Hoewel er een aantal verschillende componenten van fotosynthese zijn
benoemd als de voornaamste limitaties in termen van efficiëntie, is het tot op heden echter
nog niet gelukt om met de genetische modificatie van planten werkelijk verbeteringen te
realiseren die voldoende zijn om de wereldbevolking in haar toekomstige behoefte te kunnen
voorzien.
In Hoofdstuk 1 van dit proefschrift worden de verschillende limitaties van fotosynthese
besproken en wordt in meer detail toegelicht waarom de reeds gekozen wetenschappelijke
strategieën om fotosynthese te verbeteren niet adequaat lijken te zijn. Het is daarom
van groot belang dat er nieuwe technieken ontwikkeld worden om de extreme variatie in
fotosynthetische efficiëntie, stresstolerantie en productiviteit van planten te genereren die
vereist zijn om werkelijk vooruitgang te kunnen boeken. In dit proefschrift zijn de resultaten
beschreven van mijn onderzoek naar het gebruik van artificiële transcriptiefactoren in de
modelplant Arabidopsis thaliana om nieuwe fotosynthese-gerelateerde fenotypen te genereren.
Deze relatief nieuwe techniek, genaamd ‘genome interrogation’ wordt in detail uitgelegd in
Hoofdstuk 2 en biedt de mogelijkheid tot verandering van de expressie van een groot aantal
genomische loci tegelijkertijd door artificiële transcriptiefactoren te introduceren die binden
aan relatief korte DNA sequenties.
Omdat de verhoging van fotosynthetische efficiëntie in principe een middel is om een
verbeterde productiviteit van planten te bereiken, is in Hoofdstuk 3 van dit proefschrift ten
eerste onderzocht of ‘genome interrogation’ gebruikt kan worden om Arabidopsis planten
meer biomassa te laten accumuleren. Hiertoe zijn er twee collecties van transgene Arabidopsis
planten gegenereerd die artificiële genconstructen bevatten die coderen voor een groot aantal
verschillende ‘zinc finger’ artificiële transcriptie factoren (ZF-ATFs). Van deze transgene
planten zijn in detail de groei-eigenschappen gedocumenteerd. Op deze manier zijn er ZFATF genconstructen gevonden waarvan expressie in Arabidopsis planten resulteert in een
significante groei- en biomassa toename.
Nederlandse samenvatting | 163
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
R10
R11
R12
R13
R14
R15
R16
R17
R18
R19
R20
R21
R22
R23
R24
R25
R26
R27
R28
R29
R30
R31
R32
R33
R34
R35
R36
R37
R38
R39
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
R10
R11
R12
R13
R14
R15
R16
R17
R18
R19
R20
R21
R22
R23
R24
R25
R26
R27
R28
R29
R30
R31
R32
R33
R34
R35
R36
R37
R38
R39
Naast genen in de celkern van planten zijn ook een relatief groot aantal genen in het
chloroplastgenoom betrokken bij fotosynthese. Veel van deze chloroplastgenen coderen
voor structurele componenten van de fotosynthetische eiwitcomplexen in chloroplasten.
Differentiële expressie van deze genen zou mogelijkerwijs kunnen leiden tot veranderingen
in fotochemische activiteit. In Hoofdstuk 4 is het ontwerp beschreven van een nieuw systeem
om ‘genome interrogation’ toe te passen op het chloroplastgenoom van Arabidopsis door
middel van genconstructen die integreren in het kerngenoom en coderen voor ZF-ATFs
met bacteriële transcriptionele activatordomeinen. Door middel van deze aanpak zijn sterke
aanwijzingen gevonden dat ZF-ATF geïnduceerde differentiële expressie van chloroplastgenen
een goede aanpak zou kunnen zijn om fotosynthetische efficiëntie te verhogen.
De voornaamste techniek om fotosynthetische activiteit te fenotyperen in grote populaties
van transgene planten is de kwantificatie van chlorofyl fluorescentie (CF) parameters. De
efficiëntie waarmee Fotosysteem II in de thylakoidmembranen van chloroplasten lichtenergie
gebruikt voor de reductie van plastoquinon A wordt φPSII genoemd en heeft grote
voorspellende waarde voor de algehele fotosynthetische activiteit van planten. Verassend
genoeg is nog nooit een grootschalige screen voor Arabidopsis mutanten met significant
verhoogde φPSII waarden gepubliceerd. In Hoofdstuk 5 is de isolatie beschreven van een
nieuwe, recessieve Arabidopsis mutant met zeer hoge φPSII waarden en lage CF door middel
van CF analyse van een grote populatie van Arabidopsis planten met ZF-ATF constructen.
Dit hoofdstuk beschrijft verder in detail alle groei- en CF eigenschappen van deze mutant.
Omdat de meest efficiënte fotosynthese alleen plaats kan vinden onder zeer gunstige
omgevingscondities is het belangrijk om planten te kunnen generen die naast hoge
productiviteit ook stresstolerant zijn. In de hedendaagse agricultuur is de ophoping van zouten
in de bodem één van de meest relevante abiotische stressfactoren voor planten. In Hoofdstuk
6 is de screening beschreven van een collectie van Arabidopsis lijnen getransformeerd met ZFATF constructen voor tolerantie tegen 100 mM NaCl, een concentratie die normaal gesproken
lethaal is voor Arabidopsis planten. Op deze manier is een relatief groot aantal nieuwe
mutanten gevonden die zoutstress goed kunnen verdragen. Door analyse van deze mutanten
zijn een aantal ZF-ATFs gevonden die zouttolerantie via een niet eerder gedocumenteerd
mechanisme kunnen induceren in Arabidopsis.
164 | Chapter 7