Van Hall Larenstein
Plant
biotechnology
2
Samenvatting
Romée Terpstra
29-12-2020
,Inhoudsopgave
1. Hfst 7 – Plant ziekte en resistentie.....................................................................................................2
1.1 Plant pathogeen interactie...........................................................................................................2
1.2 Natural disease-resistance pathways...........................................................................................3
1.3 Biotechnological approaches to disease resistance......................................................................6
1.4 Developments for the future........................................................................................................7
2. Hfst 8 – Reducing the effects of viral disease.....................................................................................9
2.1 Types of plant virus.......................................................................................................................9
2.2 Entry and replication..................................................................................................................10
2.3 Transgenic approarch: PDR.........................................................................................................11
Papaja’s........................................................................................................................................13
3. Hfst 9 – Strategies for engineering stress tolerance.........................................................................14
3.1 The nature of abiotic stress........................................................................................................14
3.2 The nature of water-deficit stress...............................................................................................14
3.3 Targeted approaches to manipulating tolerance to specific water-deficit stresses....................16
3.4 Secondary effects of abiotic stress: the production of ROS........................................................18
4. Hfst 10 – The improvement of crop yield and quality.......................................................................20
4.1 The genetic manipulation of fruit ripening.................................................................................20
4.2 Engineering plant protein composition for improved nutrition..................................................24
4.3 The genetic manipulation of crop yield by enhancement of photosynthesis.............................24
5. Hoofdstuk 11 - Molecular farming....................................................................................................27
5.1 Carbohydrates and lipids............................................................................................................27
5.2 Metabolic engineering of lipids..................................................................................................28
5.3 Molecular farming of proteins....................................................................................................30
5.4 Medically related proteins..........................................................................................................31
6. Hoofdstuk 13 – Beyond genetically modified crops..........................................................................33
6.1 Genetic manipulation of complex agronomic traits....................................................................34
6.2 Investigating gene function by reverse genetics.........................................................................36
6.3 Understanding gene function within the genomic context: functional genomics......................37
1
, 1. Hfst 7 – Plant ziekte en resistentie
De grote gebruikers hoeveelheid aan monoculturen heeft er mede voor gezorgd, dat er veel hectare
‘crop loss’ is. Dit komt door het gevolg van ernstige ziektegevoeligheid.
Monocultuur = op hetzelfde stuk grond altijd hetzelfde gewas verbouwen > geen vruchtwisseling.
- Dit is niet altijd gewenst, maar soms kan het niet anders. Bijv. tarwe in Noord- Groningen,
omdat er niks anders goed op die bodem kan groeien.
- Nadeel = het eenzijdig uitputten van de bodemvruchtbaarheid als er niet bemest wordt. Ook
kunnen plantenziekten makkelijker ontwikkelen, wat meer bestrijdingsmiddelen betekend.
- Voordeel = specialisatie kan ver doorgevoerd worden, waardoor machines rendabeler
kunnen worden ingezet en een hoger niveau van vakkennis bereikt kan worden.
Oplossingen tegen monoculturen kunnen zijn;
- Wilde of gemengde plantpopulaties > deze hebben meer polymorfisme in hun
ziekteresistentiesystemen.
o Polymorfisme = een veranderde nucleotidecode voor een bepaald gen die bij een
dusdanig groot percentage van de populatie voorkomt, dat meestal niet meer van
een mutatie gesproken wordt.
- Verschillende plantentypes > diversiteit van omgevingscondities
- Grotere afstand tussen genotypen van planten verdunt het inoculum van een bepaald
pathogeen ras.
o Inoculum = begin hoeveelheid van het pathogeen
1.1 Plant pathogeen interactie
Interacties tussen plant en pathogeen kan opgedeeld worden in vier groepen (zie tekening ↓):
- Pathogeen kan symbiotische relatie vormen met gastheer
- Pathogeen kan ziekte veroorzaken in de waardplant
- Gastheer kan resistent zijn tegen pathogeen
- Waardplant kan enige tolerantie voor infectie tonen. Pathogeen kan groeien en repliceren,
maar de symptomen van infectie zijn minimaal
De pathogenen kunnen worden verdeeld in 2 groepen:
- Necrotroof = dood gastheer en voedt zich met de inhoud. Wordt vaak geassocieerd met
toxine productie.
- Biotroof = hebben een levende gastheer nodig om hun levenscyclus te voltooien.
Bacteriën en schimmels kunnen biotroof en necrotroof zijn, virus is obligaat biotroof. Naast de
uiterste necrotroof en biotroof is er ook een tussenweg, hemibiotroof; deze zijn in 1e instantie
biotroof, maar switchen dan naar necrotroof.
Verschil necrotroof/ saprofyt:
- Necrotroof dood iets en kan er van leven
- Saprofyt leeft alleen van dood materiaal
2
, Resistentie
Naast de pathogenen, is ook de resistentie op te delen in 2 groepen:
- Non-host resistance (niet waardplant resistentie) = gehele plantensoort is resistent tegen
een specifiek pathogeen. Er is geen enkele interactie.
o Het resistentiemechanisme dat dit teweegbrengt is complex met veel erfelijke
markers. Deze duurzame resistentie is het doel van een biotechnoloog.
- Host resistance (waardplant resistentie) = specifiek een enkele plantencultivar tegen een
specifiek pathogeen, andere leden van de soort kunnen vatbaar zijn voor de infectie
o Dit type resistentie is te wijten aan interactie tussen een
enkel plantaardig eiwit en een enkel pathogeen eiwit (gen-
gen interactie). Normaal leidt het tot Hypersensitieve
reactie (HR) die de verspreiding van pathogeen blokkeert.
HR zorgt dat de cellen rondom het virus doodgaan,
waardoor het virus niet meer kan leven en dus ook
doodgaat. Hierdoor wordt de infectie gestopt.
Existing approaches to combating diseases
Tegenwoordig worden pathogenen vooral bestreden met grote hoeveelheden chemicaliën, dat de
vector of pathogeen doen sterven. Echter zijn er veel chemicaliën die slecht zijn voor milieu en dus
liever niet gebruikt dienen te worden. Daarnaast zijn er ook pathogenen die resistent kunnen worden
tegen de chemicaliën. Als vervanging kan er gebruik gemaakt worden van;
- Biologische bestrijding = bestrijding door een natuurlijke vijand (Agrobacterium)
o Voordeel = geen milieuschade, pathogeen kan niet resistent worden
o Nadeel = volledige bestrijding niet mogelijk, bestrijders kunnen wegvliegen
- Resistente rassen
o Nadeel = meestal muteert pathogeen waardoor resistentie verbroken wordt en
vroeger koste veredelingsprogramma jaren.
1.2 Natural disease-resistance pathways
Planten hebben van nature een afweersysteem, deze zijn erg complex, maar effectief. Voor nu
worden er vier verschillende levels van afweer besproken;
1. Anatomical defences
2. Pre-existing protein and chemical protection
3. Inducible systems
4. Systemic systems
Alle vier de levels dragen bij aan de weerstand, maar de hoeveelheid hangt af van hoe succesvol de
ziekteverwekker is bij het overwinnen van de voorgaande barrière. Manier 1 en 2 vormen de basis
van de afweer. Er kan gezegd worden dat 3 en 4 meer specifieke reacties zijn.
1. Anatomical defens Eerste verdedigingslijn
Pathogenen komen de plant binnen via wonden, planten hebben morfologische en structurele
systemen ontwikkeld die toegang van pathogenen tot levende cellen uitsluiten. Dit kunnen dikke
lagen beschermend materiaal zijn zoals; nagelriemen, barsten, schors, wassen en bladhaar.
2. Pre-existing protein and chemical protection Tweede verdedigingslijn
Deze lijn van afweer bestaat ui een reeks antimicrobiële eiwitten die door planten worden
geproduceerd tijdens groei en ontwikkeling, waaronder defensines en defensine-achtige eiwitten
(afweereiwitten). Sommige defensinen veroorzaken een verminderende vertakking van schimmels,
anderen vertragen de groei.
3
Plant
biotechnology
2
Samenvatting
Romée Terpstra
29-12-2020
,Inhoudsopgave
1. Hfst 7 – Plant ziekte en resistentie.....................................................................................................2
1.1 Plant pathogeen interactie...........................................................................................................2
1.2 Natural disease-resistance pathways...........................................................................................3
1.3 Biotechnological approaches to disease resistance......................................................................6
1.4 Developments for the future........................................................................................................7
2. Hfst 8 – Reducing the effects of viral disease.....................................................................................9
2.1 Types of plant virus.......................................................................................................................9
2.2 Entry and replication..................................................................................................................10
2.3 Transgenic approarch: PDR.........................................................................................................11
Papaja’s........................................................................................................................................13
3. Hfst 9 – Strategies for engineering stress tolerance.........................................................................14
3.1 The nature of abiotic stress........................................................................................................14
3.2 The nature of water-deficit stress...............................................................................................14
3.3 Targeted approaches to manipulating tolerance to specific water-deficit stresses....................16
3.4 Secondary effects of abiotic stress: the production of ROS........................................................18
4. Hfst 10 – The improvement of crop yield and quality.......................................................................20
4.1 The genetic manipulation of fruit ripening.................................................................................20
4.2 Engineering plant protein composition for improved nutrition..................................................24
4.3 The genetic manipulation of crop yield by enhancement of photosynthesis.............................24
5. Hoofdstuk 11 - Molecular farming....................................................................................................27
5.1 Carbohydrates and lipids............................................................................................................27
5.2 Metabolic engineering of lipids..................................................................................................28
5.3 Molecular farming of proteins....................................................................................................30
5.4 Medically related proteins..........................................................................................................31
6. Hoofdstuk 13 – Beyond genetically modified crops..........................................................................33
6.1 Genetic manipulation of complex agronomic traits....................................................................34
6.2 Investigating gene function by reverse genetics.........................................................................36
6.3 Understanding gene function within the genomic context: functional genomics......................37
1
, 1. Hfst 7 – Plant ziekte en resistentie
De grote gebruikers hoeveelheid aan monoculturen heeft er mede voor gezorgd, dat er veel hectare
‘crop loss’ is. Dit komt door het gevolg van ernstige ziektegevoeligheid.
Monocultuur = op hetzelfde stuk grond altijd hetzelfde gewas verbouwen > geen vruchtwisseling.
- Dit is niet altijd gewenst, maar soms kan het niet anders. Bijv. tarwe in Noord- Groningen,
omdat er niks anders goed op die bodem kan groeien.
- Nadeel = het eenzijdig uitputten van de bodemvruchtbaarheid als er niet bemest wordt. Ook
kunnen plantenziekten makkelijker ontwikkelen, wat meer bestrijdingsmiddelen betekend.
- Voordeel = specialisatie kan ver doorgevoerd worden, waardoor machines rendabeler
kunnen worden ingezet en een hoger niveau van vakkennis bereikt kan worden.
Oplossingen tegen monoculturen kunnen zijn;
- Wilde of gemengde plantpopulaties > deze hebben meer polymorfisme in hun
ziekteresistentiesystemen.
o Polymorfisme = een veranderde nucleotidecode voor een bepaald gen die bij een
dusdanig groot percentage van de populatie voorkomt, dat meestal niet meer van
een mutatie gesproken wordt.
- Verschillende plantentypes > diversiteit van omgevingscondities
- Grotere afstand tussen genotypen van planten verdunt het inoculum van een bepaald
pathogeen ras.
o Inoculum = begin hoeveelheid van het pathogeen
1.1 Plant pathogeen interactie
Interacties tussen plant en pathogeen kan opgedeeld worden in vier groepen (zie tekening ↓):
- Pathogeen kan symbiotische relatie vormen met gastheer
- Pathogeen kan ziekte veroorzaken in de waardplant
- Gastheer kan resistent zijn tegen pathogeen
- Waardplant kan enige tolerantie voor infectie tonen. Pathogeen kan groeien en repliceren,
maar de symptomen van infectie zijn minimaal
De pathogenen kunnen worden verdeeld in 2 groepen:
- Necrotroof = dood gastheer en voedt zich met de inhoud. Wordt vaak geassocieerd met
toxine productie.
- Biotroof = hebben een levende gastheer nodig om hun levenscyclus te voltooien.
Bacteriën en schimmels kunnen biotroof en necrotroof zijn, virus is obligaat biotroof. Naast de
uiterste necrotroof en biotroof is er ook een tussenweg, hemibiotroof; deze zijn in 1e instantie
biotroof, maar switchen dan naar necrotroof.
Verschil necrotroof/ saprofyt:
- Necrotroof dood iets en kan er van leven
- Saprofyt leeft alleen van dood materiaal
2
, Resistentie
Naast de pathogenen, is ook de resistentie op te delen in 2 groepen:
- Non-host resistance (niet waardplant resistentie) = gehele plantensoort is resistent tegen
een specifiek pathogeen. Er is geen enkele interactie.
o Het resistentiemechanisme dat dit teweegbrengt is complex met veel erfelijke
markers. Deze duurzame resistentie is het doel van een biotechnoloog.
- Host resistance (waardplant resistentie) = specifiek een enkele plantencultivar tegen een
specifiek pathogeen, andere leden van de soort kunnen vatbaar zijn voor de infectie
o Dit type resistentie is te wijten aan interactie tussen een
enkel plantaardig eiwit en een enkel pathogeen eiwit (gen-
gen interactie). Normaal leidt het tot Hypersensitieve
reactie (HR) die de verspreiding van pathogeen blokkeert.
HR zorgt dat de cellen rondom het virus doodgaan,
waardoor het virus niet meer kan leven en dus ook
doodgaat. Hierdoor wordt de infectie gestopt.
Existing approaches to combating diseases
Tegenwoordig worden pathogenen vooral bestreden met grote hoeveelheden chemicaliën, dat de
vector of pathogeen doen sterven. Echter zijn er veel chemicaliën die slecht zijn voor milieu en dus
liever niet gebruikt dienen te worden. Daarnaast zijn er ook pathogenen die resistent kunnen worden
tegen de chemicaliën. Als vervanging kan er gebruik gemaakt worden van;
- Biologische bestrijding = bestrijding door een natuurlijke vijand (Agrobacterium)
o Voordeel = geen milieuschade, pathogeen kan niet resistent worden
o Nadeel = volledige bestrijding niet mogelijk, bestrijders kunnen wegvliegen
- Resistente rassen
o Nadeel = meestal muteert pathogeen waardoor resistentie verbroken wordt en
vroeger koste veredelingsprogramma jaren.
1.2 Natural disease-resistance pathways
Planten hebben van nature een afweersysteem, deze zijn erg complex, maar effectief. Voor nu
worden er vier verschillende levels van afweer besproken;
1. Anatomical defences
2. Pre-existing protein and chemical protection
3. Inducible systems
4. Systemic systems
Alle vier de levels dragen bij aan de weerstand, maar de hoeveelheid hangt af van hoe succesvol de
ziekteverwekker is bij het overwinnen van de voorgaande barrière. Manier 1 en 2 vormen de basis
van de afweer. Er kan gezegd worden dat 3 en 4 meer specifieke reacties zijn.
1. Anatomical defens Eerste verdedigingslijn
Pathogenen komen de plant binnen via wonden, planten hebben morfologische en structurele
systemen ontwikkeld die toegang van pathogenen tot levende cellen uitsluiten. Dit kunnen dikke
lagen beschermend materiaal zijn zoals; nagelriemen, barsten, schors, wassen en bladhaar.
2. Pre-existing protein and chemical protection Tweede verdedigingslijn
Deze lijn van afweer bestaat ui een reeks antimicrobiële eiwitten die door planten worden
geproduceerd tijdens groei en ontwikkeling, waaronder defensines en defensine-achtige eiwitten
(afweereiwitten). Sommige defensinen veroorzaken een verminderende vertakking van schimmels,
anderen vertragen de groei.
3
