Kern DNA lift mee met het DNA van bladgroenkorrels

Onderzoekers Pádraic Flood, Joost van Heerwaarden, Jeremy Harbinson en Mark Aarts tonen aan dat één type van de Zandraket (Arabidopsis thaliana) zich genetisch vrijwel onveranderd verspreid heeft over het spoorwegnet van Zuidwest- en Centraal-Engeland en daarbij de genetische samenstelling van lokale populaties van de Zandraket ingrijpend en langdurig heeft veranderd. Het plantje heeft dit kunnen doen aan de hand van één mutatie in het DNA van bladgroenkorrels (chloroplasten), die het plantje resistent maakt tegen Atrazine, een tot begin jaren 90 veel gebruikt onkruidverdelgingsmiddel. Deze week is een wetenschappelijk artikel daarover verschenen in het tijdschrift 'Current Biology'.

Zandraket in Ely

Promovendus Flood’s nieuwsgierigheid naar fotosynthese zorgde voor deze bijzondere ontdekking. In eerder onderzoek las hij over een type Zandraket die resistent geworden was tegen Atrazine. Dit ging ten koste van hun fotosynthese, het proces waarmee planten zonlicht gebruiken om water en koolstofdioxide om te zetten in zuurstof en suikers. Deze Zandraket was voor het eerst in 1988 verzameld, bij het station van Ely, een stadje in de buurt van Cambridge, in Engeland. Op weg naar een conferentie in Norwich stopte de trein in Ely. Flood herinnerde zich de 'Ely' Zandraket en stapte uit om van de paar planten die bij het station stonden zaden te verzamelen. Terug in Wageningen zaaide hij deze en onderzocht of de mutatie die zorgde voor de Atrazine resistentie nog steeds aanwezig was. Dit bleek bij meer dan de helft van de planten het geval te zijn. Heel opmerkelijk, omdat de Engelse spoorwegen al in 1992 zijn gestopt met het gebruik van Atrazine.   

Dat leidde tot nieuwe vragen: Hoe kan het dat deze mutatie 20 jaar nadat Atrazine voor het laatst gebruikt is nog steeds te vinden is? En komt dit type Zandraket op meer plekken voor dan in Ely?

Verspreiding via de trein

Verschillende expedities naar Engeland volgden om antwoord op deze vragen te krijgen. De onderzoekers verzamelden zaden van planten in de buurt van stations en spoorwegen in verschillende plaatsen in Engeland, en van planten die ver van een spoorweg af groeiden. Het zoekgebied beperkte zich niet tot de streek rondom Ely, maar strekte zich uit tot Cornwall en Herefordshire, nadat ook daar planten waren gevonden met dezelfde Atrazine resistentie veroorzakende mutatie.

Na de analyse van al deze planten komt een bijzonder beeld naar voren. Atrazine resistente planten worden alleen maar in de buurt van spoorwegen gevonden en daarbuiten niet; de planten zijn zeer talrijk in de buurt van Ely, maar worden sporadisch ook in het zuidwesten van Engeland gevonden; en alle planten zijn genetisch niet van elkaar te onderscheiden. Vooral dat laatste is heel bijzonder, want Zandraket is normaal gesproken genetisch heel divers. Dit bracht de onderzoekers tot de conclusie dat het jarenlang gebruik van Atrazine door de Britse spoorwegen  er voor heeft gezorgd dat één specifiek type Zandraket zich via het spoor enorm heeft kunnen uitbreiden over Engeland.

Dit menselijk ingrijpen heeft de lokale biodiversiteit van Zandraket sterk verarmd, want ondanks dat Atrazine al minstens 20 jaar niet meer gebruikt wordt bij het bestrijden van onkruid op de Britse spoorwegen. En ondanks dat de Atrazine resistente planten minder efficiënt zijn in het benutten van zonlicht om suikers te maken om mee te groeien, komen deze planten op sommige plekken nog steeds heel veel voor. Een belangrijke wetenschappelijke conclusie is dat sterke selectie op een mutatie in het chloroplast DNA er voor zorgt dat het hele genoom (alle genetische eigenschappen) van een Zandraket vrijwel onveranderd doorgegeven wordt aan de nakomelingen. Daar werd tot nu toe in de evolutieleer nauwelijks rekening mee gehouden.