Voeding

Biodiversiteit in de diepvriezer

Een schimmel of milieuramp kan een plantensoort plots op de rand van uitsterven brengen. Wetenschappers leggen diepgevroren back-upcollecties aan. Bij –196°C sturen ze de planten zelfs de eeuwigheid in.

Dit is een artikel van:
Eos Wetenschap

Voedselzekerheid voor miljoenen mensen, zorgvuldig opgeborgen in een keldertje van 4 op 4 meter. Zo zou je de bevroren plantenbibliotheek van het Leuvense Laboratorium voor Tropische Plantenteelt kunnen omschrijven. In het bescheiden lokaaltje staan tien vaten in roestvrij staal die dienstdoen als diepvriezer. Ze zijn niet veel groter dan het toestel in je keuken, maar hebben een inhoud van onschatbare waarde.

Elk vat bevat zo’n dertigduizend tubes met plantenmonsters. Daaronder bevinden zich meer dan duizend bananensoorten, een collectie zoete aardappelen en diverse oude Belgische witloofvariëteiten. De monsters worden bewaard in vloeibare stikstof bij –196 graden Celsius. Die extreem lage temperatuur is nodig om het genetische goud voor vele honderden jaren, en in theorie zelfs voor altijd, te bewaren.

‘Het is een vorm van verzekering’, zegt biotechnoloog Bart Panis, die de collectie van de organisatie Bioversity International aan de KU Leuven beheert. ‘Wanneer een gewas op het veld wordt bedreigd door een conflict, ramp of schimmel, kunnen we een monster uit de diepvriezer halen en terug tot leven wekken. We kunnen een bedreigd gewas uit de collectie recupereren, of we kunnen op zoek gaan naar een alternatief.’

‘Stel bijvoorbeeld dat een nieuwe ziekte de bananenproductie in een bepaalde regio in gevaar brengt, dan halen we een resistente variant uit de collectie om uit te planten in het aangetaste gebied. Met onze verzameling willen we in de eerste plaats de genetische diversiteit van gewassen veiligstellen. Elke variëteit beschikt over specifiek­e eigenschappen die vandaag of in de verre toekomst van cruciaal belang kunnen zijn.’

De techniek waarmee de wetenschappers de planten bewaren heet cryopreservatie. De plantencellen worden daarbij zo hard diepgevroren dat elke moleculaire beweging binnenin tot stilstand komt. De plant gaat als het ware in een extreem diepe slaapmodus, en veroudert niet meer tot ze vele jaren later wordt ontdooid. ‘Mocht de plant met haar ogen kunnen knipperen, dan zou het lijken alsof ze plots naar de toekomst is geflitst, terwijl er voor de wetenschappers die ze in de cryotank stopten honderden of duizenden jaren voorbij zijn gegaan’, legt doctoraatstudent Hannes Wilms (KU Leuven) uit. ‘We laten de planten eigenlijk reizen naar de toekomst.’

Plant in pauzestand

Cryopreservatie is niet zo simpel als groentjes in de diepvriezer stoppen. ‘We willen een levend organisme in pauzestand brengen, zonder dat het sterft. We moeten de garantie hebben dat we in de toekomst weer gewoon op de startknop kunnen drukken’, zegt Panis.

Dat is niet eenvoudig, want bevriezing is potentieel dodelijk voor planten. ‘Plantencellen bevatten veel water. Als dat bevriest, ontstaan vlijmscherpe ijskristallen die de celwanden stuk prikken’, legt Panis uit. ‘Het gevolg zie je op een vriesdag ook in je tuin: plantenbladeren hangen dan treurig naar beneden omdat de cellen zijn beschadigd. Om dat te voorkomen, dehydrateren we weefsels vóór het invriezen. Dat moet zorgvuldig gebeuren. Een cel die te veel water verliest gaat ook dood. Daarna behandelen we de cellen nog met een antivriesmiddel dat ijsvorming afremt.’

De laatste stap van cryopreservatie is de meest cruciale. Daarin bevriezen de onderzoekers het plantenmonster razendsnel door het in een ultrakoud bad van vloeibare stikstof (–196°C) te dompelen. ‘Door de abrupte temperatuurdaling stoppen alle watermolecules in de cellen zo snel met bewegen dat ze geen tijd hebben om ijskristallen te vormen’, aldus Panis. ‘Deze toestand noemt de glastoestand of vitrificatie. De plant staat nu echt op pauze.’

Het is onmogelijk om een volledige plant in die glastoestand te brengen. ‘De extreme koude die daarvoor nodig is, kan niet snel genoeg tot de plantenkern doordringen. Daardoor zullen de binnenste cellen toch nog ijskristallen vormen, waardoor ze beschadigd raken. We moeten daarom een zo klein mogelijk deel van een plant selecteren. Dat deel moet er dan wel een zijn waaruit de plant na ontdooiing terug kan groeien.’

‘In een cryotank niet groter dan een koelkast passen wel driehonderdduizend plantenmonsters’

Het allerkleinste levensvatbare deel vinden de onderzoekers diep binnenin de groeiknop van een plant. ‘We pellen een groeiknop af tot enkel het allerbinnenste deeltje overblijft. Vergelijk het met het schillen van een ajuin. Haal er schil voor schil vanaf tot er enkel nog een miniem en onschilbaar deeltje achterblijft. Dat deeltje – niet groter dan een maanzaadje – noemen we het meristeem. Dat gaan we cryopreserveren.’

Cryopreservatie is een hele klus. ‘Het is een uiterst precies werk dat veel tijd vraagt’, zegt Panis. ‘Een ervaren medewerker kan per jaar tussen de veertig en zeventig variëteiten in de cryotank krijgen. Voor een collectie van tweeduizend gewassen zijn dus in totaal ongeveer dertig mensenjaren nodig. En als we beslissen om een specifiek gewas te cryopreserveren, dan beslaat het volledige proces van akker tot cryotank een tot twee jaar, afhankelijk van het type gewas.’

‘Maar eens een plant in de tank zit, is de onderhoudskost laag. De monsters blijven in theorie eindeloos houdbaar en zijn beschermd tegen ziekteverwekkers. Bijkomend voordeel: omdat het meristeem zo klein is, passen er wel driehonderdduizend plantenmonsters in een cryotank niet groter dan een koelkast.’

De bananenbibliotheek

Naast de cryocollectie huisvest het Laboratorium voor Tropische Plantenteelt ook proefbuiscollecties (of in-vitrocollecties) van verschillende gewassen. De indrukwekkendste is die van bananen. ‘We hebben al dertig jaar de grootste bananenverzameling ter wereld, met ondertussen meer dan 1.600 variëteiten’, zegt biotechnoloog Bart Panis (Bioversity International). ‘Daarbij uiteraard de populaire Cavendish, die bij ons in de winkel ligt, maar ook de bak-, kook- en bierbananen die voor 400 miljoen mensen in vooral Afrika en Azië een onmisbare voedselbron zijn. De banaan is wereldwijd dan ook een even belangrijk voedselgewas als rijst, tarwe en mais.’

Om de vele variëteiten te bewaren, gebruiken de bio-ingenieurs een koude kamer. Die staat vol rekken met proefbuisjes, met daarin kleine bananenplantjes van een tiental centimeter groot. ‘Om hun groei te vertragen, krijgen de stekjes een speciaal dieet en worden ze bewaard bij 15°C en beschermd tegen bacteriën en schimmels.’

De in-vitrocollectie is een aanvulling op de cryocollectie. ‘De plantjes worden regelmatig uit hun winterslaap gehaald om nieuwe bananenplanten te produceren. We delen bijvoorbeeld monsters met ngo’s, universiteiten, firma’s of landbouwministeries die op zoek zijn naar een banaan met specifieke eigenschappen. Het gaat sneller om dat te doen vanuit de proefbuiscollectie dan vanuit de cryotank, een paar weken tegenover een paar maanden. De bewaring op lange termijn is dan weer beter verzekerd door cryopreservatie.’

Ark van Flora

Het invriezen van planten om ze te bewaren doet denken aan de Svalbard Global Seed Vault, een enorme kluis op het eiland Spitsbergen waarin meer dan een miljoen plantenzaden uit bijna alle landen ter wereld worden bewaard. Die ‘ark van flora’ bevindt zich 100 meter diep in een rots die bedekt is door een dikke laag permafrost. Het hoofddoel is hetzelfde als bij cryopreservatie: een back-up bewaren van voedingsgewassen en wilde planten om ze te beschermen tegen bedreigingen als gevolg van de klimaatverandering of biodiversiteitsverlies.

‘Toch is er een wezenlijk verschil tussen de zadenbank en cryopreservatie’, zegt Hannes Wilms. ‘De temperatuur in de Svalbard Global Seed Vault bedraagt –20°C. Bij die temperatuur verouderen de zaden nog altijd. Het gaat gewoon traag.’

Let er maar eens op de volgende keer dat je diepvriesgroenten klaarmaakt: op de verpakking staat een houdbaarheidsdatum. ‘Bevroren levensmiddelen bederven omdat er bij –20°C nog altijd biologische, chemische of fysische activiteit plaatsvindt. De zaden op Spitsbergen moeten elke tien à honderd jaar vervangen worden, afhankelijk van de soort. Bij cryopreservatie staat de tijd echt stil. In een cryotank blijven zaden honderden jaren en mogelijk zelfs veel langer levensvatbaar.’

Toch geven de meeste zadenverzamelaars vandaag nog de voorkeur aan bewaring bij diepvriestemperatuur. ‘Het is voorlopig makkelijker en goedkoper om zaden bij –20°C te bewaren’, zegt Panis. ‘Op termijn zullen we wel een shift naar cryopreservatie zien, omdat je de zaden dan niet telkens hoeft te vervangen. Dat houdt risico’s in. Zaden kunnen verloren gaan of er kunnen ziektes mee ingevroren worden.’

Diepvriesdierentuin

Naast planten kunnen ook dierlijke cellen ingevroren worden in een cryobank. Het doel is hetzelfde: gecryopreserveerde cellen van bedreigde of cruciale soorten bewaren als back-up voor wanneer de soort dreigt uit te sterven. Zo bevat het Frozen Ark-project, dat in 2004 aan de Britse University of Nottingham is opgezet, intussen meer dan vijfduizend bedreigde diersoorten uit 22 collecties. Andere cryobanken bewaren het genetisch materiaal dan weer in functie van de veeteelt of sportwereld (racepaarden bijvoorbeeld).

Het lukt nu al om voortplantingscellen, zoals sperma, eicellen en in mindere mate ook embryo’s bij –196°C op pauze te zetten en later via een fokprogramma nageslacht tot leven te wekken. Helaas is dat niet voor alle diersoorten even eenvoudig. Vissen laten zich bijvoorbeeld niet zomaar in een diepvriezerdierentuin stoppen. Het lukt voorlopig niet om viseieren of -embryo’s voor lange tijd te cryopreserveren. Wetenschappers hadden meer succes met het invriezen van stamcellen die in een ‘draagmoedervis’ kunnen uitgroeien tot zaad- of eicellen die op hun beurt nakomelingen kunnen produceren.

En de mens? Kunnen we onszelf cryopreserveren en over duizend jaar Back To The Future-gewijs terug laten ontdooien? ‘Dat zal altijd pure sciencefiction blijven’, stelt Hannes Wilms (KU Leuven) teleur. ‘Ons lichaam is te groot om volledig te cryopreserveren. We kunnen het niet in luttele seconden koelen tot –196°C, waardoor er altijd ijskristallen zullen ontstaan die onze organen vernietigen. Wij mensen beschikken ook niet over het regeneratievermogen dat planten wel hebben om vanuit een kleine groeiknop terug tot leven te komen. Eicellen cryopreserveren lukt wel, maar daaruit groeit een nieuw individu. Je kunt dus enkel je nageslacht in de toekomst wakker laten worden.’

Planten zonder zaden

Niet alle planten kunnen via diepgevroren zaad bewaard worden. ‘De zaden mogen niet veel water bevatten, anders gaan ze stuk tijdens het invriezen’, legt Panis uit. ‘Enkel zaden die van nature al zeer droog zijn, zogenaamde orthodoxe zaden, kun je daarom in een diepvriezer bewaren. Een vijfde van alle zaden ter wereld is niet bestand tegen het droogproces dat ze moeten ondergaan voor ze ingevroren kunnen worden. Cryopreservatie van die zaden of embryo’s kan dan een oplossing vormen.’

En dan zijn er nog de gewassen die geen zaden aanmaken of die zich niet via zaad vermenigvuldigen, maar door klonen van zichzelf te maken. Aardbeien maken uitlopers die zich op een kleine afstand van de moederplant in de grond nestelen. ‘Ook de aardappel, banaan, appel, zoete aardappel, yam, druif, cassave en knoflook worden vegetatief vermeerderd’, weet Panis. ‘Sommige van die gewassen produceren wel zaad, maar als we dat zouden gebruiken, gaan de gewenste eigenschappen van de moederplant verloren.’

Wetenschappers bewaren een back-up van dergelijke gewassen daarom noodgedwongen in een veldcollectie, als levende plant dus, of als een scheut in een proefbuisje. Beide methodes zijn arbeidsintensief en houden ook een risico in. ‘Planten in een veldcollectie zijn kwetsbaar voor plagen en ziektes, en ze kunnen vernietigd worden door een natuurramp of een oorlog.’

‘De scheuten die we in proefbuizen bewaren, moeten worden opgekweekt, ze moeten ziektevrij zijn, en ze moeten elk jaar vervangen worden (zie ook kaderstuk ‘De bananenbibliotheek’). Elke vervanging is riskant. De scheuten kunnen sterven, er kunnen virussen, bacteriën of schimmels in het monster sluipen of de nieuwe scheuten kunnen genetisch muteren en dus niet meer de eigenschappen bezitten waarvoor ze worden bewaard. Cryopreservatie heeft die risico’s niet.’

De plantencellen worden zo hard diepgevroren dat elke moleculaire beweging binnenin tot stilstand komt

Wereldwijde cryobank

Bart Panis droomt al langer van een equivalent van de Svalbard Global Seed Vault, maar dan voor vegetatief vermeerderde gewassen of gewassen met zaden die je niet kunt invriezen. ‘Er zijn wereldwijd een vijftiental instituten die een cryocollectie bezitten. Dat zijn vooral geïsoleerde collecties. Als de cryotanks door pech of kwaad opzet uitvallen, gaan de collecties verloren.’

‘Wij bewaren daarom een back-up van onze collectie in een instituut in Montpellier. We willen dat uitbreiden, naar een wereldwijd netwerk met back-upcentra. Helaas is dat niet vanzelfsprekend. Vooral politiek ligt het gevoelig. Heel wat landen zijn er niet happig op om hun materiaal vrij te geven. Ze vrezen dat buitenlandse bedrijven misbruik zullen maken van hun kostbare nationale biodiversiteit. Er zal nog veel moeten worden onderhandeld voor we tot een equivalent van de Global Seed Vault komen.’

De Wereldzadenbank bewees nochtans al meermaals haar nut. Zo werd een plantencollectie in Syrië in 2012 vernietigd door het conflict ginds. De Syrische collectie bevatte veel unieke graangewassen die waren veredeld voor dorre gebieden. Gelukkig werden deze voorraden ‘gebackupt’ in Spitsbergen en kon zo een nieuwe collectie worden opgericht in Libanon. ‘Een wereldwijde cryobank, aanvullend op de zadenbank, zou een nog betere verzekering vormen van het wereldwijde landbouw­erfgoed.’