Hoe kun je planten die lang geleden verzameld zijn, nu gebruiken voor onderzoek?

De laatste grote ontdekkingsreis

Op 30 september 1839 vertrok een jonge Britse plantenkenner op een reis zoals die nu niet meer mogelijk is. Het zou de laatste grote ontdekkingsreis per zeilboot worden, op zoek naar de magnetische Zuidpool. Niemand aan boord van de twee schepen wist wat hem precies te wachten stond. Als je nu naar de maan of zelfs naar Mars reist, weet je meer van je bestemming dan deze mensen toen. De plantenman, Joseph Dalton Hooker, was met zijn 23 jaar de jongste man aan boord.

Plantenjacht

Hij had die zaterdag geen duidelijk zicht op hoe lang hij weg zou zijn; uiteindelijk bijna vier jaar. Hij had nauwelijks een idee dat Antarctica een continent was, en die Zuidpool dus niet per boot bereikt kon worden. En dat deze expeditie meer dan 180 jaar later nog steeds relevant zou zijn voor de biologie, zag hij vermoedelijk ook niet aankomen.

Onderweg verzamelde en tekende Hooker elke plant waar hij zijn handen op kon leggen. Dit legde hij na terugkomst gedurende zestien jaar vast in zijn zesdelige boekenreeks. Hij zou later directeur worden van de botanische tuinen in Kew, zijn beste vriend Charles Darwin inspireren bij het schrijven van On The Origin of Species en op nog meer plantkundige ontdekkingsreizen gaan. Dat is voor het verhaal van vandaag echter allemaal minder relevant dan de plantenverzameling die hij bij zijn eerste grote reis vastlegde.

Hookers gedroogde planten, bewaard op zogeheten herbariumvellen, belandden via via in de collectie van Naturalis. Daar zijn onderzoekers Kasper Hendriks en Frederic Lens dolblij met de 180 jaar oude uitgedroogde planten.

Joseph Dalton Hooker (links), Charles Lyell (midden) en Charles Darwin (olie op canvas door Victor Evstaf'ev). Rechts een gedroogd exemplaar van de plantensoort Phlebolobium maclovianum, verzameld door Hooker op de Falklandeilanden in 1842 en nu met nummer U.1165567 in de collectie van Naturalis. Deze plant werd gebruikt in de reconstructie van de nieuwe stamboom van de kruisbloemenfamilie. Bron: (links) Wikipedia, (rechts) Naturalis Biodiversity Center.

Grote familie

Hendriks en Lens werken sinds december 2019 aan de reconstructie van een stamboom van het leven (in wetenschappelijke termen een ‘fylogenie’) van de kruisbloemenfamilie. Deze wereldwijd voorkomende plantenfamilie is al decennialang zeer belangrijk binnen de biologie, met name omdat de zandraket (Arabidopsis thaliana), een belangrijk modelorganisme, er lid van is. Ook behoren veel soorten groenten die wij op grote schaal kweken en veredelen tot deze Brassicaceae-familie. Broccoli, kool, radijs, rucola, mosterd en wasabi staan op het menu; steenraket, violier en judaspenning kweken we voor de sier, en dan zijn er nog zo’n vierduizend wilde soorten. 

Belang van een stamboom

Zo’n fylogenetische stamboom zou een belangrijk stuk gereedschap vormen voor de honderden wetenschappers die wereldwijd aan deze plantenfamilie werken, bijvoorbeeld om te achterhalen wat de verwantschappen tussen soorten zijn, en hoe interessante kenmerken evolueerden. Lens, bijvoorbeeld, is geïnteresseerd in de rol van houtvorming bij de evolutie van deze plantenfamilie - iets dat niet alleen evolutiebiologisch interessant is, maar ook relevant voor de kweek van gewassen die beter tegen droogte kunnen. Toch ontbreekt een volledige stamboom tot nu toe, omdat de familie zo groot is. Ook zijn de verwantschappen moeilijk te achterhalen, want veel soorten die niet nauw verwant zijn vertonen tóch veel gelijkende kenmerken. De verschillen in DNA-sequenties tussen soorten kunnen dan uitkomst bieden, omdat deze doorgaans betrouwbare informatie geven over de verwantschappen. 

Bouwen met DNA-gegevens

De stamboom moest dus worden gebouwd aan de hand van DNA-gegevens. Van de meeste soorten in het onderzoek zijn meer dan duizend genen meegenomen; een ongekend groot aantal in vergelijking met de twee tot vijf genen die voorheen onderzocht werden. Dankzij nieuwe technieken en de goed uitgeruste laboratoria van Naturalis konden Hendriks en Lens hun onderzoek snel opschalen. 

Nieuwe reconstructie van de stamboom van het leven (‘fylogenie’) van de kruisbloemenfamilie. Honderden verschillende soorten zijn weergegeven als ‘takken’ aan de buitenzijde van de cirkel. De kruisbloemenfamilie bevat tientallen bekende en belangrijke soorten, waarvan een selectie is uitgelicht. Als je de takken naar binnen volgt, kom je langs de (inmiddels uitgestorven) gemeenschappelijke voorouders van de verschillende soorten. Op deze manier leert de stamboom ons wat de verwantschappen tussen de nog levende soorten zijn. In het hart van de cirkel bevindt zich de gemeenschappelijke oer-voorouder van de kruisbloemenfamilie. Bron: Kasper Hendriks.

Complete stamboom

Ook was het dankzij nieuwe technieken mogelijk om op grote schaal DNA te extraheren uit blaadjes van oude, gedroogde planten, iets wat voorheen zeer moeilijk was. Ter illustratie: in het nieuwe onderzoek zijn ongeveer tien procent van de gebruikte gedroogde planten verzameld vóór 1900, terwijl voorheen planten van meer dan twintig jaar al als ‘te oud’ werden bestempeld en werden vermeden voor verder DNA-onderzoek. Op deze manier konden de onderzoekers meer zeldzame en moeilijk toegankelijke plantensoorten meenemen in hun studie dan voorheen mogelijk was; inclusief enkele van de planten die Hooker rond 1840 verzamelde op de Falklandeilanden in de Zuid-Atlantische Oceaan. Het oudste exemplaar dat gebruikt werd in het onderzoek was van een witte kool (Sinapis alba) van onbekende oorsprong, verzameld en gedroogd in 1807.  

Om al die kruisbloemigen bij elkaar te krijgen, vroegen de biologen monsters aan van gedroogde planten uit meer dan dertig andere herbaria van over de gehele wereld. Ideaal in tijden van COVID: collega’s aan de andere kant van de wereld hoefden alleen maar gedroogde blaadjes op te sturen via de post, waardoor reizen niet nodig was.  

Hendriks en Lens zullen begin 2022 de volledigste en nauwkeurigste stamboom van de kruisbloemenfamilie ooit indienen ter publicatie, samen met onderzoeker Klaus Mummenhoff van de Osnabrück Universität in Duitsland, één van de initiatiefnemers van het project. Deze stamboom zal voor het eerst soorten uit nagenoeg alle van de circa 350 geslachten binnen de familie bevatten.