Aanmaak van lichtgevoelige kleurstoffen gaat gewoon door onder de grond

Aan het rijtje landbouwgewassen waar we het DNA van kennen is onlangs de wortel toegevoegd. Nu is duidelijk hoe het kan dat de wortel ook onder de grond doorgaat met de productie van de oranje kleurstof. Normaal gesproken is daar licht voor nodig. Door een mutatie reageert de aanmaak niet meer op licht en gaat de productie gewoon door. Maar waarom dit ooit voor de wilde voorouders van onze peen nuttig was vertelt het genoom niet.

25 mei 2016

Weinig groenten zijn zo populair als de wortel. Veelzijdig, goedkoop en bijna iedereen lust het. Als klap op de vuurpijl is de wortel ook nog eens heel gezond. De kenmerkende feloranje kleur is te danken aan het hoge gehalte caroteen. Deze kleurstof wordt in ons lichaam omgezet in vitamine A en die vitamine is essentieel voor onze huid, afweer en ogen.

Nadat eerder al het genetisch materiaal, ofwel het genoom, van belangrijke landbouwgewassen als aardappel, rijst en tomaat was ontrafeld, is dat onlangs ook voor de wortel gedaan. Een onderzoeksteam onder leiding van geneticus Phil Simon, hoogleraar tuinbouw aan de Universiteit van Wisconsin-Madison (Verenigde Staten), bracht de complete DNA volgorde van de wortel in kaart.

Het team hoopt hiermee onder meer te begrijpen waarom de wortel zo felgekleurd is. Planten maken namelijk kleurstoffen aan onder invloed van licht. Maar wortelen groeien onder de grond. “Dat is bijzonder, maar de wortel is daarin niet uniek”, zegt Ric de Vos, senior onderzoeker bij Wageningen UR en niet betrokken bij het wortelgenoomproject. Hij doet onderzoek naar inhoudsstoffen in planten. Desgevraagd kijkt hij voor NEMO Kennislink naar de publicatie.

Wilde voorouders

“Overigens is het verwarrend om te spreken over een wortel. De groente die wij wortel noemen, is eigenlijk een penwortel. De echte wortels zijn wit tot bruin en zorgen voor de aanvoer van voedingsstoffen en water. De penwortel is een opslagorgaan, dat planten kunnen aanspreken in tijden van schaarste. Andere voorbeelden van gekleurde penwortels zijn biet, radijs en pastinaak.”

Altijd in de schappen: vrolijke oranje worteltjes.Kander via Wikimedia Commons CC0

Het caroteen dat zorgt voor de oranje kleur van de peentjes behoort tot een groep kleurstoffen die carotenoïden heten. “Bijna alle planten maken carotenoïden, vooral in de bladeren. Deze kleurstoffen hebben een beschermende functie, ze beschermen het fotosynthese mechanisme tegen te veel zonlicht. Carotenoïden werken als een soort lichtfilter”, legt De Vos uit.

Onder de grond is dat filter niet nodig, maar toch gaat de productie van de carotenoïden door op een lager pitje. “Er zijn meer planten die in hun penwortel of echte wortels carotenoïden aanmaken en dat heeft een duidelijke functie. Ze breken de carotenoïden namelijk ook weer af tot verschillende andere stoffen die fungeren als plantenhormonen en signaalstoffen.”

Wat de peen volgens De Vos wel onderscheidt van andere planten is de enorme ophoping van carotenoïden. Ze worden niet alleen massaal aangemaakt, maar ook nauwelijks afgebroken. En uit het DNA blijkt nu waarom. “Dit onderzoek laat zien dat er ooit in de wilde voorouders van onze peen een mutatie, een genetische verandering, is opgetreden in een gen dat de lichtgevoeligheid regelt, waardoor de productie van carotenoïden nu ook zonder licht kan plaatsvinden. Tegelijkertijd worden de enzymen geremd die normaal gesproken voor de afbraak zorgen. De ophoping van carotenoïden kan daarom ongehinderd doorgaan.”

Van wilde wortel tot tamme peen

De interesse van de mens in de peen ging niet meteen uit naar de penwortel, maar naar de zaden. Die werden gebruikt om olie uit te persen voor medicinale toepassingen. Het eerste bewijs van het bewust verbouwen voor de oogst van de penwortel dateert van ongeveer 1100 jaar geleden. In Centraal-Azië werden toen gele en paarse penen gekweekt. Vanaf ongeveer het jaar 1500 duiken in Europa beschrijvingen en afbeeldingen op van de oranje peen.

Zaden van de wilde peen (*Daucus carotus*)

Koffiedik kijken

Grote vraag is nu waarom deze mutatie in stand is gebleven. Wat was het voordeel voor de plant om op zo’n grote schaal deze kleurstoffen op te slaan? “Tja, dat weten we niet precies”, zegt De Vos. “Mutaties ontstaan spontaan en de stelregel is dat het een voordeel op moet leveren of in ieder geval geen groot nadeel. Dan kan een mutatie blijvend worden. Het probleem is dat we niet weten onder welke omstandigheden de wilde peen destijds groeide en daarom ook niet kunnen afleiden wat het voordeel geweest zou zijn. Maar de aanmaak en opslag van kleurstoffen kost een plant energie die niet voor iets anders kan worden gebruikt. Dat doet een plant niet zomaar.”

Niet alleen maar oranje wat de klok slaat. Peen is er in tal van kleuren.Phil Simon via EurekAlert.org

De laatste jaren zien we naast de dominante oranje peen andere ‘vergeten’ penen weer opduiken, zoals witte, gele, rode en paarse. Waar komen die verschillende kleuren vandaan? De Vos: “Er zijn verschillende vormen van carotenoïden. Caroteen zorgt voor de oranje kleur en luteïne voor het geel. Afhankelijk van de precieze verhouding kun je veel variatie in kleur maken op basis van deze stoffen. Van wit, geel en lichtoranje tot feloranje en dieprood.” De paarse kleur in sommige wortelvariëteiten is een ander verhaal. Die wordt veroorzaakt door anthocyanen, een andere groep kleurstoffen. Maar ook deze hopen zich op in de penwortel dankzij dezelfde, eerder genoemde mutatie.

De oranje peen uit de supermarkt spant van alle wortelvariëteiten wel de kroon als het gaat om de aanmaak van carotenoïden. Maar dat is geen ‘natuurlijke’ prestatie, zegt De Vos. “Dat komt voort uit de langdurige veredeling op deze specifieke kleur van de peen.” Volgens de Amerikaanse onderzoekers is alleen al in de laatste veertig jaar het caroteengehalte in de oranje peen met vijftig procent toegenomen. Het is volgens De Vos niet verrassend dat verschillende zaadveredelingsbedrijven hebben meebetaald aan het wortelgenoomonderzoek. “Als je nog specifieker weet welke delen van het genoom van belang zijn voor de eigenschappen die je zoekt, dan kun je veel gerichter veredelen.”

Bron

Massimo Iorizzo, et al., A high-quality carrot genome assembly provides new insights into carotenoid accumulation and asterid genome evolution, Nature Genetics 2016, doi:10.1038/ng.3565

Reageer