KENNISPLATFORM VOOR LABORATORIA

REDACTIONEEL

EDITIE 31, MAART 2017

Steeds betere groentezaden door high-throughput genotypering

Het familiebedrijf Bejo in het Noord-Hollandse Warmenhuizen is één van de wereldspelers op het gebied van groentezaden. Die positie dankt het bedrijf onder andere aan de focus op innovatie, die zichtbaar is in de omvangrijke laboratoria voor onderzoek en kwaliteitscontrole, waar meer dan 150 mensen werken.
Ralf Hooiveld staat er aan de leiding van een afdeling die de ontwikkelde DNAmerkers implementeert in robuuste, geautomatiseerde testsystemen.

Wachten, lang wachten. Dat was heel lang de praktijk in de zaadindustrie. Niet alleen bij het veredelen, maar ook bij de kwaliteitscontrole van het geproduceerde zaad. Vragen als ‘is de kwaliteit van het zaad goed?’ en ‘is de partij zuiver?’, kon je alleen maar beantwoorden door een steekproef uit die partij te zaaien en af te wachten tot het gewas voldoende volgroeid was.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ralf Hooiveld, teamleider Implementatie Markertechnologie en Genomics bij Bejo Zaden, gebruikt van een barcode voorziene 96- en 384-wells platen van Greiner Bio-One voor de verregaande automatisering van de DNA-merkertesten op zaad- en plantmonsters.

Als je geluk had kon je direct in het groeiseizoen van het betreffende gewas zaaien, maar soms moest je nog eens maanden extra wachten voor de goede zaaiomstandigheden zich aandienden. Voor het familiebedrijf Bejo was die situatie lange tijd niet anders. De veredelaar en producent van groentezaden voor de vollegronds teelt was één van de voorlopers die aan die lange wachttijden een einde wist te maken door de grootschalige ontwikkeling en toepassing van merkertechnologie. Mede hierdoor is het bedrijf, met hoofdkantoor, laboratoria (het Research Centrum en het Zaadtechnologisch Laboratorium) en productiehallen net buiten het dorpje Warmenhuizen, uitgegroeid tot een mondiale top tien speler in dit marktgebied.
Inmiddels telt Bejo wereldwijd 1.700 medewerkers (waarvan een kleine 500 in Warmenhuizen), veredelingsstations in negen landen en productievelden in negentien landen. Het assortiment beslaat zaden van 50 verschillende groenten, met in totaal 1200 variëteiten. Daarvan wordt een groeiend aandeel als biologisch groentezaad geleverd, inmiddels voor 40 groenten in 150 variëteiten.

 

Daglengtegevoeligheid

Bij de ui is daglengtegevoeligheid een belangrijke eigenschap voor de veredelaars. In Nederland hebben we in de zomer, het groeiseizoen van de ui, een redelijk lange dag. In de uienwereld heet dat zelfs een zeer lange dag. In de tropen is het daarentegen altijd een korte dag. Als je hier een tropenui zaait, dan krijgt die ui al heel snel een trigger om over te gaan tot bolvorming, terwijl die dan helemaal nog niet is gegroeid. Andersom, als je een zeer lange dag ui in de tropen zaait, krijgt die nooit de benodigde daglengte, en dus ook nooit die trigger om die bol te vormen. Die eigenschappen zijn niet alleen belangrijk voor de veredeling, maar ook voor de kwaliteitscontrole. Als er onverhoopt een vermenging heeft plaatsgevonden, kan je dat niet zien aan het zaad. Met specifieke merkers voor die eigenschap kan je haarfijn een eventuele vermenging aantonen.

 

Direct zekerheid

De oogst van al die zaden is veelal machinaal en komt na een grove, lokale schoning binnen in Warmenhuizen. Daar staat in enorme productiehallen een uitgebreid machinepark klaar om de zaden te drogen, selecteren/scheiden en verpakken. Scheiding kan plaatsvinden op fysische eigenschappen als soortelijk gewicht, kleur en grootte. Grootte kan relevant zijn omdat grotere zaden beter kunnen kiemen dan kleine. Zo kan je een partij zaad opwaarderen door, met behulp van zeven, verschillende fracties te maken. Hiervan worden de beste fracties geslecteerd, zodat men aan de eisen van de professionele telers kan voldoen. Waar de grootte goed herkenbaar is, zijn andere eigenschappen niet aan de buitenkant te zien, variëteit het precies gaat. Die zekerheid wordt bij Bejo verkregen aan de hand van identificatie op DNA-niveau. Ralf Hooiveld, teamleider Implementatie Markertechnologie en Genomics, legt uit hoe dat in zijn werk gaat. “De collega’s in het pakhuis nemen een monster van iedere partij. Met behulp van DNA-merkers kunnen wij zien of het om het goede ras gaat en of er geen vervuilingen in het monster zitten. Hiervoor gebruiken we een set van DNA-merkers, die dusdanig informatief zijn,dat wij zeker weten dat het om dat bepaalde ras of die ouderlijn gaat. Met deze DNA-merkers kunnen al onze koolrassen, en dat zijn er nogal wat, van elkaar worden onderscheiden. Die merkers zijn doorgaans snips, spreektaal voor SNP’s (‘single nucleotide polymorphisms’), variaties in het DNA van een enkele nucleotide. De meeste van die merkers hebben we binnen onze eigen research ontwikkeld, in samenwerking met één van onze partnerbedrijven, GeneTwister in Wageningen. Dat bedrijf ondersteunt ons, zodat wij in staat zijn om de relevante informatie uit de sequencingdata van de genomen van onze gewassen te extraheren.”

 

 

 

 

 

 

 

Onderzoekers vullen de platen zelf met de te analyseren monsters
en geven daarbij in een softwaretool aan wat er waar in een plaat zit,
en welke testen er op moeten worden uitgevoerd.

“De dynamiek binnen de veredeling brengt grote uitdagingen
in automatisering en procesoptimalisatie.”

Automatiseren

Het werk is hierbij voor Ralf Hooiveld en zijn team van zes analisten zeker niet beperkt tot het operationele: het zo goed mogelijk uitvoeren van de testen volgens de vastgestelde gerobotiseerde protocollen, die ruwweg zijn opgebouwd uit DNA-extractie en PCR met verschillende merkers. “De uitdaging zit hem vooral in de automatisering en procesoptimalisatie. We krijgen steeds meer monsters te verwerken en dat wil je in principe met hetzelfde aantal mensen blijven doen. Door de inzet van robots en een slim gebruik van de microtiterplaten lukt ons dat goed. We gebruiken hierbij 96-en 384-wells microtiterplaten van Greiner Bio-One. Bijzonder is dat Greiner al die platen uitrust met een door ons zelf gegenereerde barcode. Zodra een robot de plaat scant weet die precies wat er in de welletjes zit en wat er moet gebeuren, omdat we dat in ons LIMS hebben ingevoerd. Op die manier kunnen we datzelfde LIMS ook gebruiken om via ‘track and trace’ de plaat te volgen en kunnen we te allen tijde terugzoeken wat er is gebeurd.”

 

Ondersteunen van veredelen

Waar de communicatie met kwaliteitscontrole nog vrij overzichtelijk is (één locatie –een gebouw aan de overkant aan de weg– en eenduidige rapportage over vooral identiteit en onzuiverheden), ligt dat voor de andere interne klanten, de researchafdelingen en veredelingsstations, een stuk ingewikkelder. “Neem alleen al de negen veredelingsstations, die verspreid over de hele wereld zijn gevestigd. Die maken ook gebruik van de Greiner platen. Het is daarbij de bedoeling dat ze de platen zelf vullen met de te analyseren monsters en daarbij in een softwaretool aangeven wat er waar in een plaat zit, en welke testen er op moeten worden uitgevoerd. Het is een hele toer om er voor te zorgen dat iedereen dat op dezelfde manier doet. Want dat willen we. Immers automatiseren begint bij standaardiseren, waarmee je trouwens ook nog eens veel fouten kan voorkomen. Extra uitdagend hierbij is dat er veel dynamiek in de veredeling zit. Dan komt er weer een nieuwe veredelaar, worden er nieuwe testen ontwikkeld, of komen er nieuwe merkers bij”, vertelt Ralf Hooiveld bevlogen. Ook voor de rapportage van de analyseresultaten is maatwerk voor de verschillende soorten interne klanten ontwikkeld. “Bij onderzoekers kan je rapporteren dat die merker zus scoort en een andere merker zo, maar voor de collega’s die werken in een veredelingsstation moet je zorgen voor een eenduidige interpretatie van de resultaten. Bijvoorbeeld dat een bepaalde eigenschap waarop is veredeld wel of niet in het genotype is terug te vinden. Dezelfde benadering hanteren we richting kwaliteitscontrole: de identiteit klopt en het monster is zuiver, daarmee kunnen ze uit de voeten. Voor ons is het geen doen om al die interpretaties handmatig uit te voeren, dus daarvoor proberen we zo veel als het kan in de software regels te programmeren. Iets wat door de breedte in ons assortiment en de grote verscheidenheid aan eigenschappen toch vrij complex is, vooral omdat het ook nog eens een dynamische dataset is. Elke week verandert er wel iets!”

 

 

 

 

 

Zowel de 96- als de 384-wells platen worden tijdens de productie
door Greiner Bio-One geautomatiseerd voorzien van een door
Bejo gevraagde barcodesequentie.

 

Resistentie

Een belangrijke driver voor veredeling is de resistentie tegen plantenziektes. Een driver die vanwege het groeiende assortiment aan biologische producten bij Bejo alleen maar belangrijker wordt: chemische bestrijding is bij deze producten immers niet aan de orde. Daarbij moet je beseffen dat je je voor de hele wereld niet kunt focussen op één ras van een bepaalde groente. Factoren als klimaat, bodemtype en ligging zijn bepalend voor de groei van het gewas, de aanwezigheid van ziekteverwekkers en hun impact op het gewas. Preizaad dat het hier goed doet, kan bijvoorbeeld in Zuid-Europa veel minder succesvol zijn. Het klassieke veredelen, waarbij je een schimmel of bacterie over een populatie haalt, en met de overleverende verder gaat, wordt vandaag de dag ondersteund met merkertesten. Met die testen kan in het genoom van de plant worden bepaald of de betreffende resistentie aanwezig is. Die testen zijn des te waardevoller omdat je hiermee ook resistenties kunt stapelen, door groente te gaan veredelen op basis van resistentie tegen bijvoorbeeld drie verschillende ziekteverwekkers. Iets wat met de klassieke benadering bijna niet te doen is, omdat je geen eenduidige relatie kunt leggen tussen ziekteverwekker en effect. Met drie selectieve merkertesten voor de betreffende ziekteverwekkers kan je haarfijn de populatie analyseren en met de winnaars verdergaan. Eigenschappen die van belang zijn voor productie zijn bloeitijdstip en fertiliteit/steriliteit. “Veel van het zaad dat we produceren is hybride zaad, waarbij je twee ouderlijnen met elkaar kruist. Zaak is dan wel dan wel dat beide lijnen op hetzelfde tijdstip bloeien. Daarbij komt dat we de meeste hybrides produceren door een vrouwelijke plant te gebruiken, die geen stuifmeel produceert. Anders heb je kans op zelfbestuiving , en krijg je inteelt. Die eigenschappen kunnen we ook met specifieke merkers aantonen, en als dat allemaal klopt, kunnen de bijen van Bejo effectief hun werk doen”, legt Ralf Hooiveld uit.

 

Ambitie

Kwantitatieve eigenschappen als opbrengst en gewicht zijn een grotere uitdaging “Je komt dan in het domein van het fenotyperen van planten, waarbij je heel veel parameters moet meten en er statistiek op moet bedrijven om er achter te komen hoe het precies in elkaar zit. En dan heb je ook weer te maken met verschillende groeiomgevingen, locaties, tijdstippen; dat zit heel ingewikkeld in elkaar. En er zullen zeker ook veel genen bij betrokken zijn. Als je dan een bepaalde eigenschap in wilt kruisen en je moet van verschillende chromosomen verschillende stukken DNA volgen, is dat een hele uitdaging. Maar in de toekomst zullen we daar zeker stappen in zetten. Innovatie gaat bij ons vaak heel geleidelijk. Door terug te kijken zie je pas wat er bereikt is. Tegelijkertijd besef je dat je nooit op je lauweren kunt gaan rusten. Nieuwe ziektes kunnen ieder moment opduiken, er vinden onzichtbaar allerlei wapenwedlopen plaats tussen pathogenen en planten, waarbij de ene keer de plant in het voordeel is, en de andere keer het pathogeen wint. Dat kan alle kanten op gaan. Één ding is wel zeker: over tien jaar zijn er andere ziektes belangrijk dan nu...”

 

Greiner Bio-One

www.gbo.com

 

Bejo

www.bejo.nl

AGENDA

KOOPJESHOEK