Genoomvolgordebepaling van broodkoring uiteindelik afgehandel – maar wat beteken dit vir ons?
WILLEM BOTES, voorsitter: Departement van Genetika, Universiteit van Stellenbosch en navorsingsleier: DWT-Graan SA Nasionale Koringteeltplatform
Vir dekades wat kom sal ons in die klas na 17 Augustus 2018 verwys. Nie omdat president Donald Trump of een van ons plaaslike politici iets ydel en stompsinnig kwyt geraak of gedoen het nie, maar omdat die genoomvolgorde van broodkoring na meer as 'n dekade se werk uiteindelik in die tydskrif Science gepubliseer is (DOI: 10.1126/science.aar7191).
Hoewel daar al vir geruime tyd konsepvolgordes beskikbaar is, word dit as die eerste volledig voltooide weergawe beskou (IWGSC RefSeq v1.0), want sover dit genoomvolgordebepalingsprojekte betref, het jy dit eers amptelik "gemaak" as jou eweknie-geëvalueerde en bevestigde artikel in Science of Nature verskyn.
As jy boonop die hele uitgawe oorheers en die voorblad beset, dan weet jy dit is werklik 'n groot gebeurtenis – jy maak geskiedenis!
Waarom het dit so lank gevat?
13 jaar. Dit is 'n lang tyd in die wetenskap. Dít is hoe lank dit gevat het om koring se volgordebepaling af te handel. Die mens, mielies, rys en byna elke ander denkbare organisme is lank reeds afgehandel. (My vrou het selfs al die organisme wat snotsiekte by volstruise veroorsaak as deel van haar navorsing afgehandel!) Verder doen ons al selfs genotipering deur volgordebepaling geroetineerd in ons navorsingsprojekte vir koring.
Terug by die traagheid. Daar is drie redes:
Eerstens is koring se genoom 16GB-basis groot – 35 keer groter as dié van rys. Dit is selfs groter as die mens s'n.
Tweedens kan ons die genoom se samestelling blameer. Koring bestaan uit drie subgenome wat oor die afgelope paar duisend jaar saamgesmelt is.
Laastens is koring 'n selfbestuiwende gewas. Die belangrikste internasionale saadmaatskappye wil nie werklik groot geld daarin belê nie. Nie soos byvoorbeeld met mielies die geval is nie.
So, koringwetenskaplikes was darem nie lui nie, maar net swak befonds – met te min hande.
Internasionale samewerking tot die redding
Wat doen jy dan as jy te min geld en mannekrag het? Jy werk saam met ander en deel jou hulpbronne ten einde jou doel te bereik. Jy verdeel ook die werk.
Om dit te organiseer is die International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC) gestig. Vandag het die IWGSC rofweg 2 400 lede in 68 lande. My laboratorium, en die graangenomika­laboratorium van Prof Oberholster in my departement, is ook lede.
Die uiteinde van die samewerking was dat die artikel oor die volgordebepaling uiteindelik meer as 200 medeskrywers het, afkomstig uit 20 lande en werksaam by meer as 70 navorsingsinstansies. Dit is natuurlik belangrik om te beklemtoon dat die data vryelik beskikbaar is – wat voortspruit uit die samewerking en meestal publieke befondsing wat gebruik is.
Adenien (A) wat paar met tiamien (T) en guanien (G) wat paar met sitosien (C) is die vier stikstofmolekules wat tydens volgordebepaling bepaal word.
Só is daar in die volgorde wat op 16 Augustus 2018 vrygestel is 16GB se ACGT's. Die ACGT's is min of meer gelyk oor die 42 chromosome van koring versprei. Die basisse vorm die onderskeie gene en dit word met 'n kombinasie van prosesse, waarna verwys word as transkripsie en translasie, uiteindelik omgesit na aminosure wat weer vir ons proteïene vorm – waarvan ensieme seker as die belangrikste uitkoms beskou kan word.
Dit beheer immers al die metaboliese paaie wat bepaal hoe jou plant lyk, hoe dit op biotiese en abiotiese stres reageer, die kwaliteit van die graan, die opbrengspotensiaal en die reaksie op jou insette op die plaas.
Daar is boonop ook groot gedeeltes waarvan ons tans nie die funksie verstaan nie. Daar is herhalende gedeeltes wat alles 'n groter uitdaging maak. Miskien sal ons dit in die toekoms beter verstaan. Ons besef mos daagliks al meer hoe min ons eintlik van die skepping weet.
Maak sin van die 16GB se ACGT's
Die 16GB is indrukwekkend, maar die geskatte 107 891 gene en 4 700 000 molekulêre merkers wat in die proses gegenereer is, is werklik intimiderend.
Laat ek dit eerder so verduidelik: Die ou skeepsvaarders kon besonder vroeg in die beskawing al kaarte maak. Hulle kon selfs skattings maak van dit wat hulle reeds gevind het. Vandag het ons Google Maps en Streetview. Ons raai nie. Ons weet. Dit is toeganglik en maklik om te verstaan.
Groot vordering is gemaak en die tempo daarvan versnel teen 'n verstommende pas. Julle wonder nou seker waar trek ons met koring? Iewers tussen tweedehandse aanwysings deur 'n slim oom langs die pad en MapStudio se kaart – en as jy in die regte dorp aankom, is daar selfs 'n Garmin wat mag werk. Ons weet dus genoeg om nie van die begin af te verdwaal nie, maar sukkel ook maar meestal om die plek te kry. Behalwe as jy iets soek waar die Garmin al werk.
Laasgenoemde vertaal na die veld van Bioïnformatika – 'n snel ontwikkelende veld wat biologiese data met statistiek en rekenaarwetenskap verbind ten einde sin te kan maak van die 16GB se ACGT's.
Ontgin die voordele
Die eerste stap in die proses is om geenontdekking aan te pak. Die informasie in die verwysingsvolgorde wat gegrond is op 'n welbekende kultivar "Chinese Spring" kan help met die identifikasie van gene gekoppel aan eienskappe wat ons graag in ons teelprogramme wil vestig en/of verbeter. Dit is egter 'n moeisame en tegnies uitdagende proses.
Na die bevestiging van die geen kan ons dan een van verskeie roetes volg: Jy kan allele van die geen in bestaande kiemplasma soek, wat wilde spesies en ander broodkoringkultivars kan insluit. 'n Alternatief is die induksie van mutasies. Dit skep nuwe allele wat jy kan gebruik.
Om dit te vermag, is genoomredigering deesdae 'n voorkeuropsie. CRISPR-Cas9-tegnologie, wat onlangs tot almal se argwaan deur die Europese Unie as GM-tegnologie verklaar is, is tans navorsers se eerste keuse daarvoor.
Gepraat van GM-tegnologie. Natuurlik is dit ook 'n opsie.
Uiteindelik het jy die geen en verbeterde variante (allele waarna ek verwys het) waarmee jy kan teel, geïdentifiseer. Kruisings kan derhalwe volg. Die eerste twee stappe het gewoonlik gelukkig ook molekulêre merkers tot gevolg gehad, wat jy kan aanwend om die inkorporering van die allele te vergemaklik. Die proses vind natuurlik parallel plaas om verskeie eienskappe te identifiseer.
Hoe lyk die toekoms?
Blink. Soos wat ons as navorsingsgemeenskap voortbou op die werk, gaan ons meer effektief met die identifisering van gene word. Ons sal ook volgordebepaling geroetineerd vanaf ons eie programme se teelmateriaal doen. Ek voorsien selfs dat ons dit in die volgende paar jaar in ons eie laboratoriums sal doen. Net soos wat ons vandag polimerase kettingreaksies (in Engels PCR) as roetinetaak kan uitvoer.
Daar is egter 'n paar voorwaardes daarvoor om dit plaaslik te kan laat gebeur. Ons sal die navorsingskapasiteit wat ons tans het in stand moet hou en ook bou aan die nuwe vaardighede wat ons by bestaande navorsers benodig.
Ek wil graag dink dat ons dit kan vermag. Kurrikulums word voortdurend aangepas en werkswinkels aangebied om huidige navorsers relevant te hou. Navorsers woon ook internasionale kongresse by en werk saam met internasionale medewerkers. Verder ondersteun ons bedryf ons in die pogings – en hier wil ek Graan SA en die Wintergraantrust graag uitsonder.