Wageningen, The Netherlands
August 15, 2016
White cabbage and Chinese cabbage have a lot in common: both have leaves that wrap tightly around each other to form a leafy head. Remarkably, however, these two crops originate from two different Brassica species used and domesticated by farmers on two different continents. In their publication in Nature Genetics, scientists from Wageningen UR show how these two different Brassica species developed (were domesticated) in Europe and Asia, sometimes resulting in very similar crops.
Cabbage, kohlrabi and cauliflower are related, domesticated by European farmers centuries ago from the from wild Brassica oleracea progenitors. In Asia an entirely different species, Brassica rapa, developed into crops with similar appearances, such as Chinese cabbage, pak choi and turnips i. Together with scientists from the Chinese Academy of Agricultural Sciences, Wageningen UR scientists have explained how it is possible that these two Brassica varieties at two very different global locations developed into so many diverse, but often very similar crops.
While the domestication of a crop is a long and complex process, there are rare examples in history of something called convergent domestication, in which a similar type of crop develops in different places and at different times. According to Guusje Bonnema (pictured), plantbreeding scientist at Wageningen UR and one of the authors of the article in Nature Genetics, the cabbage crops we have in Europe and Asia are a fine example of this process. “These two Brassica species were apparently both relatively easy to domesticate, sometimes into crops that are very alike, such as heading cabbages and turnips and kohlrabies. There are Brassica crops in both Europe and Asia which are cultivated for their floral organs, like cauliflower, broccoli, broccoletto and caixin..”
Brassica species were probably so suitable for domestication and breeding due to the triplication in their genomes. This means that large segments of DNA, and many genes, are present in the genome in triplicate. Sixteen million years ago this triplication developed in an ancestor of the Brassica species. These so-called paralogous genes ensure that variations of genes can be selected in the offspring. This occurs without any loss of essential functions as these functions are still performed by the paralogous genes.
Feng Cheng, associate professor Chinese Academy of Agricultural Sciences
Bonnema: “A cabbage that can be well preserved is tightly wrapped, which means that the leaves are folded into each other. Because a cabbage contains three copies of a specific gene, one copy can develop a mutation which makes the leaves fold, for instance, while other copies retain their original function. Comparing this to other domesticated species without recent genome duplication, we see that these species generally display less different vegetable types. As a result, a mutation in a gene is not as easily selected and will disappear.”
Breeding the perfect cabbage
This research is the first proof that genome triplication increases the opportunity for diversity and convergent domestication of the two Brassica varieties. “It provides a fascinating insight into how domestication works and creates opportunities for domesticating new crops,” says Bonnema. Moreover, by giving a greater insight into how the underlying genes work, breeders can cultivate the perfect cabbage cultivar.
“Knowing which gene creates a wider or larger leaf and which gene makes the inner leaves fold inward allows us to select specifically on these properties,” Bonnema concludes.
Hoe Chinese kool en witte kool op elkaar gingen lijken
Witte kool en Chinese kool hebben veel gemeen: beide kolen hebben om elkaar gevouwen bladeren. Opmerkelijk is echter dat deze twee gewassen van twee verschillende Brassica soorten afstammen, die ook nog eens in twee verschillende werelddelen door boeren gebruikt en gedomesticeerd werden. Onderzoekers van Wageningen UR laten in hun publicatie in Nature Genetics zien hoe het komt dat zowel in Europa als in Azië allerlei verschillende kool gewassen konden ontstaan, die soms ook nog eens op elkaar lijken.
Europa versus Azië
Kool, koolrabi en bloemkool zijn alle familie van elkaar en eeuwen geleden door Europese boeren gedomesticeerd, vanuit de wilde plantensoort Brassica oleracea. In Azië zijn vanuit een heel andere soort, Brassica rapa, gelijk ogende gewassen zoals Chinese kool, paksoi en meiraap ontstaan. Onderzoekers van Wageningen UR, hebben samen met onderzoekers van verschillende Chinese partners opgehelderd hoe het mogelijk is dat uit deze twee Brassica-soorten op twee verschillende plekken in de wereld zo veel verschillende, soms sterk op elkaar lijkende gewassen zijn ontstaan.
Convergente domesticatie
De meeste gewassen zijn op één bepaalde plek in de wereld ontstaan en vervolgens via handel en kolonisatie over de wereld verspreid. Recent onderzoek van Colin Khoury liet zien dat 70% van de gewassen die wij dagelijks eten oorspronkelijk uit het buitenland komt. Het domesticeren van een gewas is een langdurig en ingewikkeld proces. En toch zijn er uit het verleden zeldzame voorbeelden van wat convergente domesticatie wordt genoemd, waarbij er door domesticatie onafhankelijk van elkaar, dus op verschillende plekken en op verschillende momenten, eenzelfde type gewas is ontstaan. Volgens Guusje Bonnema, veredelingsonderzoeker van Wageningen UR en één van de auteurs van het artikel in Nature Genetics, zijn de koolgewassen die we in Europa en Azië kennen daar een mooi voorbeeld van. Bonnema: ”Kennelijk waren de twee wilde koolsoorten allebei relatief makkelijk te domesticeren, soms ook nog eens tot op elkaar lijkende gewassen, zoals sluitkool en knollen. Zo komen er in Europa én de Azië kooltypes voor die voor hun eetbare bloemen zijn ontwikkeld.”
Genoom triplicatie
Brassica-soorten leenden zich waarschijnlijk zo goed voor domesticatie en veredeling vanwege de drievoudige vorm waarin de genomen voorkomen: grote stukken DNA, en dus ook veel genen, zijn drie keer in het genoom aanwezig. Zestien miljoen jaar geleden is deze triplicatie ontstaan in de voorouder van de Brassica-soorten. Deze zogenoemde paraloge genen zorgen ervoor dat in de nakomelingen van kruisingen ook variaties van genen kunnen worden geselecteerd, zonder dat essentiële functies verloren gaan, omdat die nog steeds uitgevoerd worden door de paraloge genen.
Bonnema: ”Een goed bewaarbare kool is mooi gesloten. Daartoe moeten de bladeren om elkaar vouwen. Doordat er drie kopieën van een bepaald gen aanwezig zijn, kan bijvoorbeeld één kopie een mutatie krijgen waardoor het blad gaat vouwen terwijl de andere kopieën oorspronkelijke functie behouden.
Wanneer je dit vergelijkt met andere soorten zonder recente genoomduplicatie zie je dat deze soorten veel minder variaties laten zien. Een mutatie in een gen zal minder snel geselecteerd worden en vervolgens weer verdwijnen.”
Perfecte kool telen
Dit onderzoek is het eerste bewijs dat dat triplicatie van het genoom de mogelijkheden vergrootte voor diversiteit en convergente domesticatie van de twee Brassica-soorten. “Het geeft een fantastisch inzicht in hoe domesticatie werkt en creëert mogelijkheden voor het domesticeren van nieuwe gewassen”, zegt Bonnema. Daarnaast geeft het nog meer inzicht in hoe de onderliggende genen werken, waardoor het voor veredelaars mogelijk wordt om het perfecte kool ras te veredelen.
“Wanneer je weet welk gen zorgt voor een breder of groter blad en welk gen ervoor zorgt dat de binnenste bladeren naar binnen vouwen kun je daar specifiek op selecteren”, aldus Bonnema.
Topics
Species
