Een toevallige ontmoeting van Phytophthora en aardappel?

Dr. Piet Boonekamp
Business Unit Manager Plant Research International, Wageningen

Het toeval van de Europese aardappeleter

Uit ruïnes in Peru en Chili van meer dan 2000 jaar geleden zijn restanten van aardappel gevonden. Bij de Inca's was de aardappel een bestanddeel van het dagelijks menu. De Spaanse conquistadores brachten midden zestiende eeuw de aardappel vanuit de Andes naar Europa. Niemand wilde hem eten, want behalve de knol is de rest van de plant giftig. Het leek dus niets te worden met de aardappel in Europa. Pas laat in de achttiende eeuw kreeg de aardappel een kans. Er dreigden voedseltekorten te ontstaan door de trek van boeren naar de stad als gevolg van de industriële revolutie. De graanproductie die altijd had voldaan, gaf nu te weinig opbrengst om de bevolking te voeden. De toenmalige botanici zagen het veel betere potentieel van de aardappel en kregen slimme marketingsupport van de Franse koning. Hij gaf opdracht in de koninklijke tuinen veel aardappelen te verbouwen. Steeds werden aardappelen met veel vertoon naar de koning gebracht. De tuinen werden echter dag en nacht zwaar bewaakt. Maar soms werd opzettelijk 's nachts de bewaking teruggetrokken. En natuurlijk slopen de boeren dan de tuin in om aardappelen te stelen. En zo werd zonder dwang de aardappel populair en de belangrijkste voedingsbron in Europa. Al gauw was een groot deel van de bevolking afhankelijk van de aardappel. Zo aten de arme Ieren in de negentiende eeuw alleen maar aardappelen, circa vijf kilo per dag per persoon.

Een toevallige ontmoeting tussen de aardappel en Phytophthora in Europa

Het gebied van oorsprong voor de aardappel is centraal Mexico. Behalve de cultuuraardappel ( Solanum tuberosis ) zijn er daar zeer veel wilde aardappelsoorten. Daarnaast is het ook de broedplaats van Phytophthora (Phytophthora = plantenvernietiger) met een grote variatie. De cultuuraardappel is bijzonder gevoelig voor Phytophthora. Van hieruit heeft de cultuuraardappel zich verspreid over geheel Midden- en Zuid Amerika. In tegenstelling tot Mexico zijn in de Andes de omstandigheden voor infectie niet altijd ideaal. Vanuit dit gebied hebben de Spanjaarden de aardappel meegebracht zónder Phytophthora. Is dit toeval? Nee, waarschijnlijk heeft men bewust aardappelen uit de gezondste regio meegenomen. Omdat er in Europa geen Phytophthora was ging het een tijd goed. De Europese aardappel en Phytophthora hadden elkaar niet hoeven te ontmoeten. Maar in de negentiende eeuw werden er ook aardappelen vanuit ... Mexico (dé broedplaats van Phytophthora) geïmporteerd. In 1845 leidde deze ziekte tot een hongersnood over geheel Europa. In Ierland stierf eenderde van de bevolking en eenderde emigreerde naar de Verenigde Staten. Was de import van de ziekte toeval? Waarschijnlijk niet, er zijn aanwijzingen dat men van deze vreselijke ziekte wist en deze wilde bestuderen en zo de geest in de fles binnenhaalde. Was dit dom toeval? Nee, over infectieziekten bij planten bestond onder de toenmalige wetenschappers grote scepsis en er was een intensief debat of schimmels het gevolg waren van een plantenziekte (de communis opinio ) of de oorzaak (de nieuwe geest). Door Phytophthora kwamen er bewijzen voor het laatste. Een geweldige bijdrage aan een verandering in het wetenschappelijke denken. Maar Phytophthora is nooit meer weggegaan en dé aardappelziekte gebleven!

De aardappel bijna vernietigd door Phytophthora in 1845

Nu Phytophthora en de aardappel elkaar gevonden hadden, begon een strijd, met als wapen het vermogen om te kunnen veranderen. Phytophthora kan alleen overleven door aardappel te infecteren. Voor infectie heeft zij een virulentiegen nodig. De aardappel kan zich verweren door een resistentiegen. Eén resistentiegen kan steeds één virulentiegen onschadelijk maken en zo de infectie van Phytopthora stoppen. Phytophthora moet dan een nieuw virulentiegen maken, dat het resistentiegen van aardappel kan omzeilen. Blijkbaar was dit in 1845 het geval met het Phytophthora-type dat zijn intrede deed in Europa. Vrijwel alle aardappelen in Europa werden geïnfecteerd binnen enkele jaren. Toch overleefden enkele aardappelvariëteiten. Deze hadden blijkbaar een geschikt resistentiegen. Deze aardappelvariëteiten werden gebruikt om een nieuwe populatie aardappelen op te bouwen met resistentie tegen Phytophthora.
Waarom ontwikkelde Phytophthora niet snel een nieuw virulentiegen om ook deze aardappelen te infecteren? Het antwoord is, geen seks ! Er was (gelukkig!) maar één kloon van Phytophthora overgekomen uit Mexico. En deze kloon kon zich alleen via sporen voortplanten en niet via seks. En seks is juist hét middel om genen van jezelf en die van een partner door elkaar te husselen en nieuwe combinaties over te dragen aan je kinderen. Phytophthora zou op die manier snel van allerlei partners nieuwe virulentiegenen hebben verkregen. De overgebleven aardappelen zouden onvoldoende snel nieuwe resistentiegenen kunnen ontwikkelen en dus geen kans hebben gehad. Door het ontbreken van seksuele partners bleef Phytophthora nu niets anders over dan te proberen haar eigen virulentiegen zó te veranderen dat de resistentiegenen van de nieuwe aardappelvariëteiten geen verweer meer hadden. En dat is een langzaam proces van vallen en opstaan. Om dit te begrijpen is enige kennis van veranderingen op DNA-niveau nodig. Een gen bestaat uit een DNA-streng van tienduizenden letters waardoor als het ware een zeer lang woord gevormd wordt. In het nageslacht moeten de letters dezelfde blijven om de betekenis van het woord (= functie van het gen) te behouden. Nu is het een natuurlijk proces dat, weliswaar met een lage frequentie, zo nu en dan ergens een letter verandert. Dit noemen we ‘mutatie'. Zo'n veranderd gen komt dan in het nageslacht. Vrijwel altijd betekent dit dat de functie van het gen slechter wordt (= woord wordt onleesbaar) en een nadeel betekent voor het nageslacht. In een enkel geval kan er echter een ander woord ontstaan met een andere betekenis. Zo zou in Phytophthora na allerlei slechtere genen uiteindelijk een nieuw virulentiegen kunnen ontstaan. De kans hierop is klein, maar statistisch zou het één Phytophthora in 150 jaar wel gelukt moeten zijn. Zo'n Phytophthora zou dan een geweldig concurrentievoordeel hebben bij de infectie van de overgebleven aardappelvariëteiten. In korte tijd zou ze de oude populatie van Phytophthora volledig verdrongen hebben én ook de aardappel in Europa geen tweede kans gegeven hebben na 1845.

Dit zou zeker gebeurd zijn als de aardappelenkweker in de negentiende en twintigste eeuw niet iets van veredeling was beginnen te begrijpen. In tegenstelling tot Phytophtora had de aardappel wel seks tot zijn/haar beschikking. Het stelde weliswaar niet zoveel voor, want seks kon alleen plaatsvinden met verwante cultuuraardappelen, met doorgaans een genenpakket van meer-van-het-zelfde. Toch gaven kruisingen (= seks) meer mogelijkheden tot veranderingen in resistentiegenen dan louter via mutatie. De tijdsduur tot nakomelingen duurt voor de aardappel echter jaren, dus flitsend inspelen op Phytophthora-varianten was moeilijk. Er was echter één belangrijk voordeel, de aardappelkweker. Die zocht zelf de beste twee aardappelpartners uit in plaats van kruisingen aan het toeval over te laten. Hij had geen invloed op de combinaties in het nageslacht, want die ontstaan door toeval. De kweker kon echter daarna door selectie individuen uit het nageslacht halen die resistent waren tegen alle gangbare Phytophtora's. Zonder kennis van de genen was de kweker in staat voldoende nieuwe resistentiegenen in de aardappel te krijgen om Phytophthora bijna 150 jaar in toom te houden.

Waarom ging het vanaf 1980 toch nog bijna mis?

Door de hete zomer van 1975 was er een tekort aan aardappelen ontstaan in Europa en er werden tonnen aardappelen geïmporteerd vanuit Mexico (en niet vanuit de Andes zoals de Spanjaarden vier eeuwen ervoor deden). En tezamen met de aardappelen werden nieuwe Phytophthora-populaties geïmporteerd. En wat voorspeld kon worden gebeurde: de nieuwe populatie kon wel seks hebben met de oude! Voor het eerst in 150 jaar kreeg Phytophthora de kans om niet alleen via mutaties nieuwe virulentiegenen te verkrijgen, maar ook via seks. Dit gaf Phytphthora een geweldige voorsprong in het jarenlange evenwicht met de aardappel, en inderdaad was in een paar jaar de oude populatie van Phytopthora geheel vervangen door een nieuwe met geheel andere virulentiegenen. De Europese cultuuraardappel was dus ineens zeer gevoelig voor Phytophthora geworden. Was dit toeval? Nee, men had kunnen weten dat import van zoveel aardappelen uit de broedkamer van Phytophthora dit grote risico kon inhouden. Was het te vermijden geweest? Nee, want door de globalisering van de handel was de nieuwe Phytopthorapopulatie vroeg of laat toch Europa binnengekomen. Het voordeel is dat een geweldige impuls is ontstaan om versneld nieuwe resistentiegenen in de cultuuraardappel in te brengen. En die zijn met name voorhanden in de wilde aardappelsoorten van centraal Mexico, want ondanks de grote druk van Phytophthora worden die in tegenstelling tot de cultuuraardappel nooit ziek. Het onderzoek heeft samen met de kwekers veel technieken ontwikkeld om die nieuwe resistentiegenen vanuit de wilde aardappelsoorten over te brengen in de cultuuraardappel. En zo wordt verwacht dat het evenwicht weer hersteld kan worden... Maar de strijd zal door blijven gaan.

Conclusie

Veelal wordt gesteld dat een organisme als Phytophthora zichzelf verandert om beter te overleven onder gewijzigde omstandigheden. Dit suggereert een planmatige aanpak. Dat is niet zo. De veranderingen in Phytophthora zijn louter toeval. De meeste zijn dodelijk voor de individuen. Slechts een enkele verandering blijkt een voordeel te zijn en dat veranderde individu krijgt dan de kans de populatie over te gaan nemen. Als gevolg van het toeval ontstaat er zo steeds een populatie die beter aangepast is aan de gewijzigde omstandigheden. Dit gaat ten koste van de oude populatie, die uitsterft.
De rol van de mens? Niet het toeval maar het resultaat van het toeval kon door menselijk ingrijpen worden gestuurd. En zo houden we de cultuuraardappel in stand.