Minichromosoomtechnologie – De beste manier voor duurzame groei in gewasopbrengst?

Landbouw als praktijk bestaat al zolang de menselijke beschaving bestaat. Gedurende deze tijd zijn er periodiek nieuwe technologieën bijgekomen. Als gevolg hiervan is de landbouw efficiënter, tijd- en kostenbesparend geworden. Deze evolutie zag menselijk arbeid in grote mate worden vervangen, eerst door dieren en daarna door machines. In dit groeitraject is een van de nieuwste toevoegingen de Minichromosoomtechnologie. 

Wat is Minichromosoomtechnologie?

Minichromosomen zijn kleine structuren die zich binnen cellen bevinden. Deze structuren – hoewel klein van formaat – kunnen grote hoeveelheden informatie opslaan via het genetisch materiaal dat ze bevatten. 

Deze kleine structuren zijn cruciaal voor landbouwgenetici omdat ze kunnen worden gebruikt om planten te verbeteren door tientallen eigenschappen aan de plant toe te voegen. Ze kunnen bijvoorbeeld de planten meer droogtebestendig maken of beter stikstof kunnen benutten. Interessant is dat, hoewel dergelijke modificaties de opbrengst aanzienlijk kunnen verhogen, ze de genen van een plant niet veranderen, wat leidt tot bredere acceptatie bij regelgevende instanties en boeren. 

Hoewel we in de komende segmenten dieper ingaan op de kenmerken en specialiteiten van de minichromosoomtechnologie, moeten we eerst de geschiedenis kennen om het doel en de doelstellingen beter te begrijpen. 

Klik hier om te leren hoe robotica de landbouw overneemt.

De ontstaansgeschiedenis van Minichromosoomtechnologie in het kort

De Minichromosoomtechnologie, ook wel bekend als gen-stacking, is voortgekomen uit een ontdekking door Daphne Preuss, een van de meest succesvolle voedsel- en landbouwondernemers ter wereld. 

Gebaseerd in Sorrento, Maine, Verenigde Staten, heeft Daphne Preuss vele rollen vervuld in haar lange en illustere carrière. Van november 2006 tot december 2018 was Preuss CEO van Chromatin Inc., ook wel bekend als Future Food. 

Volgens Gregory Copenhaver, die werkte aan Preuss’ project waarbij ze oorspronkelijk werkte met Arabidopsis Thaliana, een kleine mosterdplant: 

“Daphne vond een mutatie met kenmerken die ons in staat stelden een genetische mappingtechniek voor planten te ontwikkelen. We bedachten een techniek om het centromeer te identificeren, het exacte chromosoomdeel dat een cel vasthoudt wanneer deze tijdens de deling moet worden verplaatst. We konden uitvinden hoe we zelf het centromeer konden vastpakken en het gebruiken om met andere planten te werken.”

Dit leidde tot de ontwikkeling van de minichromosoomtechnologie. Vervolgens richtten Copenhaver en Preuss het bedrijf Chromatin Inc. en lieten de technologie licentiëren aan het bedrijf. En dit is het korte verhaal achter de ontstaansgeschiedenis van de minichromosoomtechnologie. 

Met deze informatie in handen, is de volgende, vrij voor de hand liggende vraag, waarom de minichromosoomtechnologie aan momentum heeft gewonnen. Er moet destijds ander vergelijkbaar onderzoek zijn geweest dat plantgenetica wilde benutten om de opbrengst en productievolumes van gewassen te verbeteren. Copenhaver had hier een antwoord op. 

Wat maakte Minichromosoomtechnologie bijzonder?

Volgens Copenhaver was al bekend hoe planten te wijzigen door genen in hun chromosomen te inserteren. Echter, de technologieën die al decennialang bestonden, leden onder willekeur. Er was geen zekerheid over wat het resultaat zou zijn. 

Zelfs als het gen in een bestaand chromosoom kon worden ingevoegd, kon de landingspositie de werking beïnvloeden. Het proces droeg ook het risico andere genen te verstoren tijdens de insertie. 

Deze onzekerheid maakte bestaande processen omslachtig en moeilijk uitvoerbaar. Na het werken met duizenden planten konden onderzoekers slechts in een beperkt aantal gevallen slagen waar de wijziging het gewenste resultaat opleverde. 

Minichromosoomtechnologie bracht zekerheid in het proces. Volgens Copenhaver maakte het proces het “gemakkelijker om eigenschappen over te dragen.” Het maakte nieuwe plantenveredeling “sneller, beter, goedkoper en voorspelbaarder.” 

Hoe ver is de Minichromosoomtechnologie gevorderd?

Onderzoek naar minichromosoomtechnologie heeft tot nu toe veel onthullende inzichten opgeleverd. Bijvoorbeeld, minichromosomen bevatten geen eigen genen. Deze eigenschap – samen met hun kleine formaat – maakt dat minichromosomen fungeren als supervectoren om vreemde genen tot expressie te brengen. Voordelig is dat ze in dit proces minimaal interfereren met de groei- en ontwikkelingspatronen van de gastheer. 

De minichromosomen blijven stabiel tijdens mitose en meiose. Deze eigenschap helpt de aanwezige genen om zich te uiten en van cel tot cel, van de ene generatie op de volgende, over te dragen. Het toevoegen, verwijderen en vervangen van genen in minichromosomen is eenvoudig. Het vereist alleen een SSR-systeem: Simple Sequence Repeat. 

Minichromosoomtechnologie – zoals die vandaag bestaat – is op verschillende manieren nuttig voor onze landbouwpraktijken. Het kan helpen bij het ontwikkelen van plantgenen die herbicidetolerant en plaagbestendig zijn. 

• Het eerste type gen vergemakkelijkt onkruidbestrijding. 
• Het tweede type vermindert de behoefte aan pesticiden, verlaagt de landbouwkosten en maakt gewassen gezonder. 

Bovendien bereidt deze technologie de weg voor effectievere genetische manipulatie van gewassen en planten zodat hun opbrengst stijgt. Het heeft het potentieel om meer gewassen te verbouwen met dezelfde hoeveelheid natuurlijke hulpbronnen. 

De ontwikkeling van kunstmatige chromosoomtechnologie en effectieve genassemblagemethoden om doelgericht genooms te bewerken, is mogelijk door continu te innoveren op minichromosoomtechnologie. 

Maar waarom moeten we de opbrengst verhogen terwijl de kosten en het gebruik van hulpbronnen gelijk blijven of bij voorkeur lager? Omdat de wereldbevolking toeneemt en het bewerkbare land dat we tot onze beschikking hebben niet kan worden uitgebreid. Deze onevenwichtigheid tussen aanbod en vraag is waar opbrengstverhogende technologieën zoals minichromosomen uitkomst bieden. 

De wereldwijde vraag naar voedsel zal toenemen

Volgens het samenvattende rapport gepresenteerd door de Voedsel- en Landbouworganisatie van de Verenigde Naties, kan de wereldbevolking tussen 2009 en 2050 met meer dan een derde groeien, ofwel 2,3 miljard mensen. Dit zou leiden tot een enorme vraag naar voedsel. 

Bijvoorbeeld, de vraag naar granen, zowel voor voedsel als diervoeder, zou tegen 2050 ongeveer 3 miljard ton kunnen bedragen. Het rapport schat ook dat het voeden van een wereldbevolking van 9,1 miljard mensen in 2050 een toename van de totale voedselproductie met bijna 70 procent tussen 2005/07 en 2050 vereist. In ontwikkelingslanden zou de groei bijna 100 procent moeten bedragen. 

De FAO gelooft dat deze doelstellingen alleen kunnen worden bereikt door het inzetten van opbrengstverhogende technologieën. Het stelt duidelijk dat tot 90 procent van de groei in gewasproductie moet voortkomen uit hogere opbrengsten en een intensievere teelt, terwijl de rest afkomstig is van uitbreiding van land. 

Hoewel het verbeteren van de efficiëntie van gewasproductie en het verhogen van de opbrengst een realiteit is, is er ook behoefte aan gewassen die bestand zijn tegen onvoorspelbaar weer, een nevenproduct van de klimaatverandering wereldwijd. 

We hebben al gezien dat minichromosoomtechnologie helpt bij het produceren van droogtebestendige gewassen. Om dergelijke gewassen echter op grotere schaal te produceren, heeft de wereld steeds meer investeringen nodig van zowel overheden als grote multinationals. Het goede nieuws is dat dergelijke voorbeelden al bestaan. 

Als we het spoor van Chromatin Inc. volgen dat met zijn ontdekking is gecreëerd, zien we dat veel grote wereldwijde bedrijven al jarenlang interesse in haar technologie hebben getoond. Eerst bekijken we deze interesseverklaringen, en daarna gaan we dieper in op deze bedrijven om de relevante oplossingen die zij in dit veld kunnen bieden te begrijpen.  

• In 2007 verleende Chromatin Syngenta Biology Inc. een niet-exclusieve licentie om de technologie te gebruiken voor maïs en soja.
• Na Syngenta sloot het bedrijf ook een overeenkomst met Dow AgroSciences voor onderzoek naar het combineren van hun minichromosoomtechnologie met de technologie van Dow. 
• Het ondertekende ook een overeenkomst met Bayer Crop Science om de technologie te gebruiken in hun katoenplanten. 

We zullen nu de relevante opbrengstverhogende ontwikkelingen bekijken die deze drie multinationals tot nu toe succesvol hebben uitgevoerd. 

1. Syngenta Biology Inc.

Syngenta blijft gewassen ontwikkelen met zaadkenmerkentechnologieën die efficiënter zijn. De trait conversion accelerator van Syngenta heeft maïzaden geïntroduceerd die gebruikmaken van geavanceerde technologieën om snel marktklaar te worden. 

Hoewel het blijft integreren van technologieën zoals de minichromosoom, heeft het uitgebreid gewerkt aan de vooruitgang van moleculaire biologie, biochemie, plantentransformatie en toegepaste genomica. Haar producten, zoals de Agrisure Artesian, Agrisure Duracade, Agrisure Viptera en Enogen, bieden betrouwbare zaadtechnologieoplossingen om boeren hun opbrengst te beschermen tegen onvoorspelbare regenval en destructieve insecten en plagen.

Op 9 november 2023 kondigde Syngenta Group haar financiële resultaten voor de eerste negen maanden en het derde kwartaal van 2023. De omzet voor de eerste negen maanden van 2023 bedroeg US$24,3 miljard, een daling van 6 procent op jaarbasis. EBITDA was 22% lager vergeleken met 2022.  

2. Dow AgroSciences

Dow Corporation heeft een reeks gewasoplossingen die onder meer oplossingen omvatten om de plantengroei te optimaliseren terwijl het gebruik van hulpbronnen wordt geminimaliseerd. Dow zorgt ervoor dat haar gewasoplossingen helpen verliezen te verminderen door gewassen te beschermen tegen insecten, onkruid en ziekten. Ze leveren ook een efficiënte distributie van voedingsstoffen en water, terwijl ze de synthese van pesticiden mogelijk maken met betrouwbare bouwstenen. 

Dow publiceerde haar resultaten van het derde kwartaal 2023 op 24 oktober 2023. Het bedrijf registreerde een netto-omzet van US$10,7 miljard, een daling van 24% ten opzichte van dezelfde periode een jaar eerder. GAAP winst per aandeel was US$0,42, terwijl operationele winst per aandeel (EPS) US$0,48 bedroeg, vergeleken met US$1,11 in dezelfde periode een jaar eerder en $0,75 in het voorgaande kwartaal.

3. Bayer Crop Science

Bayer Crop Sciences, onderdeel van Bayer Global, richt zich op innovaties rond zaden, kenmerken en gewasbescherming. Haar innovaties hebben de biotechnologiewetenschappers geholpen gerichte verbeteringen in het DNA van planten aan te brengen. Haar oplossingen helpen onkruid te beheersen via ingebouwde herbicidetolerantie en helpen boeren het genetisch potentieel van hun zaden te behouden terwijl ze efficiënter groeien met aanzienlijk verminderde milieueffecten.

Volgens Bayer zijn de voordelen van gewasbescherming enorm. Het gewasbeschermingsmechanisme beschermt ongeveer 30 procent van de wereldwijde opbrengsten, gelijk aan 550 miljoen ton voedsel die meer dan 2 miljard mensen kan voeden. 

Het spectrum van Bayer’s gewasbeschermingsoplossingen omvat herbiciden, fungiciden en insecticiden. Al haar oplossingen worden aangedreven door geavanceerde chemie, biologische innovaties en datagedreven veldinzichten. De precieze toepassing van haar technologieën resulteert in zeer geavanceerde zaden en kenmerken. 

In het financiële jaar 2022 registreerde Bayer Group groepsomzet van 50,739 miljard euro, een stijging van 8,7 procent op valuta- en portefeuillesgewogen basis. EBITDA vóór speciale items steeg met 20,9 procent tot 13,513 miljard euro.

De toekomst van Minichromosoomtechnologie

Een groeiende bevolking, onvoorspelbaar klimaat en het gebrek aan mogelijke uitbreiding van bewerkbaar land wereldwijd zijn factoren die de behoefte aan steeds geavanceerdere gewasproductietechnologieën zoals minichromosomen veroorzaken. Het meest veelbelovende aspect van minichromosoomtechnologie is dat het de weg vrijmaakt voor steeds meer soortgelijke technologieën. 

Beschikbaar onderzoek toont aan dat efficiënte genetische veranderingen een plant beter kunnen laten groeien ondanks ongunstige omstandigheden. Maïsopbrengsten zijn bijvoorbeeld met 10% gestegen. Niet alleen is hun productie toegenomen, maar deze maïs is beter geworden met grotere droogtetolerantie, hoger lysinegehalte en verhoogde ethanolproductiecapaciteit. 

Genetische engineering, gebaseerd op technologieën zoals minichromosomen, kan aardappelziekte weerstaan terwijl het gebruik van chemische fungiciden met wel 90 procent wordt verminderd. Niet alleen heeft aardappelteelt nu minder impact op het milieu, maar het product heeft veel minder kneuzingen en zwarte vlekken. De opslagcapaciteit van deze aardappelen is toegenomen, en het verminderde gebruik van chemicaliën bij de productie maakt ze minder schadelijk voor onze gezondheid. 

Niet alleen maïs en aardappelen, maar minichromosoomtechnologie verbetert ook de productie van arctische appels, papayasoorten in Hawaï, zomerse courgette en zucchini. Het heeft geholpen fruit te beschermen tegen verkleuring terwijl de voedingswaarde en smaak behouden blijven. Het is effectief gebleken tegen ringspotvirus, geelmozaïkvirus en vele andere vergelijkbare schadelijke variëteiten. Het heeft zelfs bijgedragen aan de ontwikkeling van sojaboonoliën die nul transvet bevatten, wat schadelijk is voor onze hartgezondheid. 

Over het geheel genomen komt de groeiende belangstelling voor innovatieve landbouwtechnieken zoals minichromosomen op een moment dat het verhogen van de gewasopbrengst wereldwijd een prioriteit is, en dat nog wel duurzamer met een kleinere ecologische voetafdruk. Hier blinkt minichromosoomtechnologie in uit, omdat het beide aanzienlijk helpt te realiseren. Daarom kan men redelijkerwijs verwachten dat er de komende dagen meer investeringen en onderzoeksfondsen in dit gebied zullen binnenstromen. 

Klik hier om te leren hoe ontworpen plantmicrobiomen gewassen beschermen tegen bacteriën.