Forædling om igen

Michael Palmgren, professor, Institut for Plante- og Miljøvidenskab, Københavns Universitet, palmgren@plen.ku.dk

Efter mange hundrede års forædling har vi i dag planter, som er lette at dyrke og giver stort udbytte. Men undervejs er andre egenskaber gået tabt – komplekse egenskaber, som for eksempel gør planterne i stand til at tåle mere ekstreme vækstforhold. Og de kan ikke simpelt genindføres i kulturplanterne.

Som plantefysiolog er det oplagt at tænke på, hvordan vores afgrøder monstro kan blive mere robuste, for det er hvad et bæredygtigt jordbrug har brug for: kulturplanter der udnytter næringsstofferne i jorden mere effektivt, så de ikke skal gødes så meget, udnytter det tilgængelige vand optimalt, så de tåler salt og tørke, og er modstandsdygtige overfor skadedyr og fjendtlige mikroorganismer, så de ikke behøver at blive sprøjtede. Samtidigt må de meget gerne have et højt proteinindhold og være næringsrige, så det ikke bare er vand og stivelse, de kan levere. Problemet er at mange af vores kulturplanter er fattige på genetisk variation, er indavlede og muterede gennem lang tids forædling, og derfor langt fra at være robuste.

Gener for komplekse egenskaber i planter

Som eksempel kan nævnes salttolerance. Salt i jorden trækker vandet ud af rødderne, og planters reaktion på salt minder meget om den de udviser over for tørke. I forsøg er det lettere at styre saltkoncentrationen end graden af tørke. Derfor tager forskningen i tørketolerance ofte udgangspunkt i at undersøge planters reaktion på salt. I de gode gamle transgendage troede vi optimistisk at enkelte gener kunne være ansvarlige for en karakter som salttolerance. Sat på spidsen: Hvis bare man kunne finde det gen i en organisme, der lever i saltvand, der gør den i stand til at tåle salt, ville næste trin være at overføre det selvsamme gen til en kulturplante, der ikke tåler salt. I bedste fald ville den transgene kulturplante nu være blevet salttolerant.

Sådan er det ikke gået. At studere salttolerance har været som at åbne en Pandoras æske med gener. Salt- og tørketolerance er ikke bare resultatet af et enkelt gens aktivitet, det er en kompliceret karakter, hvor multiple gener spiller sammen  et fint reguleret netværk (1). Den salttolerance, der måtte være nået ved at flytte enkeltgener, har desuden ofte en pris, og den kan være stor (2).

Andre karakterer, som fx evnen til at fiksere kvælstof fra luften (3) og forsvaret mod mikroorganismer (4), har ligeledes vist sig at være resultatet af et komplekst samspil mellem multiple gener. Selvom alle generne i pakken en dag skulle blive identificeret, vil det være et monumentalt projekt at få dem flyttet samlet med hele deres regulerende overbygning. Af denne grund er der ingen, der endnu har kunnet komme med et bud på, hvornår den første risplante, der tåler salt og tørke, ser dagens lys.

Geneditering af bæredygtige kulturplanter

I 2013 fik vi af Københavns Universitets Excellence Programme for Interdisciplinary Research støtte til at etablere en tværfaglig tænketank, der kunne komme med bud på, hvordan ny viden inden for plantebiologien kan bruges til at udvikle fremtidens bæredygtige kulturplanter, og det på en samfundsmæssig acceptabel måde. Blandt deltagerne var der filosoffer, etikere, samfundsforskere, jordbrugsøkonomer, jurister, farmaceuter og plantebiologer. ’Plants for a changing world’ hed projektet.

I en analyse, der var et af resultaterne fra projektet og som blev publiceret sidste år, vendte vi bøtten på hovedet (5): Selvom vores kulturplanter ikke tåler salt og tørke, er der masser af andre planter i naturen, der faktisk gør det, og ofte er det endda nogle af deres nærmeste forfædre. Disse egenskaber har de lært sig gennem en evolutionær proces der har varet millioner af år, hvorefter de så kan være gået tabt. Hvorfor ikke bare forsøge at kultivere en af disse planter? Så at sige begynde forfra igen, og det med en plante, der allerede har den egenskab som vi er ude efter (Figur 1).

Figur 1. Salt- og tørketolerance er komplekse egenskaber, som er avlet ud af mange domesticerede planter. Fordi mange gener er involverede, er det svært at genindføre disse evner efter mange års forædling. Foto: Pixabay.

Vi kender i flere tilfælde de genetiske forandringer, der har været afgørende for, at mange af vores kulturplanter kunne domesticeres. I mange tilfælde skyldes de et tab af naturlige egenskaber. Fx smider græsser deres frø, når de er modne, og det er et problem når de skal høstes, og mutanter, der er dryssefaste, var nogle af de første kornsorter, der blev udvalgt til de allertidligste jordbrug. Vi foreslog derfor, at domesticeringsprocessen var et resultat af ’loss of function’-mutationer og ikke nødvendigvis mange af dem. Hvis dette var korrekt, ville man kunne accelerere domesticeringen af vilde planter med nye genediteringsteknikker som fx CRISPR/Cas9, der specifikt kan klippe gener over og dermed neutralisere dem. 

Det var ikke let at få publiceret artiklen. Den herskende tanke på bjerget var, at der sandsynligvis er mange flere mutationer involveret i forædlingsprocessen og at de, som i evolutionsprocessen i naturen, kun langsomt fører til nye egenskaber.

 Domesticering af vilde planter med nye genediteringsteknikker

Vi var derfor glade da vi den 1. oktober 2018 kunne se to artikler publiceret i Nature Biotechnology der gjorde vores drøm til realitet. Begge artikler rapporterede om en succesfuld accelereret domesticering (også kaldet de novo domesticering) af den vilde slægtning til tomat, Solanum pimpinellifolium (6,7). Den ene af artiklerne (6) kom fra Caixia Gaos laboratorium i Chinese Academy of Sciences. Hun blev i 2016 af tidsskriftet Nature udnævnt som en af Kinas ti største forskningsstjerner (8). Til grund for dette arbejde havde forskergruppen udvalgt en salt- og tørketolerant varietet af S. pimpinellifolium. Den har små bær på kun 1 gram, er stærkt grenet, og der er langt mellem blomsterne – i modsætning til den kultiverede tomat, der jo har meget større bær, er kompakt i væksten og har klaser med mange blomster. Ved at klippe gener over i S. pimpinellifolium med CRISPR/Cas9 har de nu fået en tomatplante, der til forveksling ligner den kultiverede tomat. Seks klip skulle der til. Det bemærkelsesværdige er, at den nye tomat har bevaret sin oprindelige tørke- og saltresistens.

I samme måned publiceredes en artikel i Nature Plants fra Zach Lippmans gruppe på Cold Spring Harbor Laboratory. De berettede om de novo domesticering af en vild fjernere slægtning til tomat (9). Også her skulle der kun et begrænset antal klip til, før domesticeringsprocessen var stærkt fremskredet.

Disse tre artikler er afgørende gennembrud, der viser, at det der for et år siden var en drøm, nu er blevet til en realitet. Det er faktisk muligt at forædle en vild plante så at sige fra scratch. Med nye genediteringsteknikker kan det gøres på nogle få års tid. Om udbytterne også bliver lige så store som nu mangler vi endnu at se.

Der er cirka 300.000 vilde planter i naturen, men det er kun omkring 200 af dem, det hidtil er lykkedes os mennesker at kultivere. De vilde planters diversitet er enorm og de har tilpasset sig de mest ekstreme miljøer. Endnu ved vi ikke, om resultaterne med den vilde tomat kan gentages lige så let i andre vilde planter. Men de nye resultater viser vejen frem mod en fremtid, hvor vores jordbrug baserer sig på planter, der allerede har de egenskaber, der skal til for at kunne modstå klimaforandringer og samtidigt er resurseeffektive, så de ikke skal sprøjtes, vandes og gødes så meget.

Referencer

  1. Yang Y, Guo Y (2018) Elucidating the molecular mechanisms mediating plant salt-stress responses. New Phytol. 217: 523-539.
  2. Graus D, Konrad KR, Bemm F, Patir Nebioglu MG, Lorey C, Duscha K, Güthoff T, Herrmann J, Ferjani A, Cuin TA, Roelfsema MRG, Schumacher K, Neuhaus HE, Marten I, Hedrich R (2018) High V-PPase activity is beneficial under high salt loads, but detrimental without salinity. New Phytol. 219: 1421-1432.
  3. Ferguson BJ, Mens C, Hastwell AH, Zhang M, Su H, Jones CH, Chu X, Gresshoff PM (2018) Legume nodulation: The host controls the party. Plant Cell Environ. doi: 10.1111/pce.13348.
  4. Cui H, Tsuda K, Parker JE (2015) Effector-triggered immunity: from pathogen perception to robust defense. Annu Rev Plant Biol. 66: 487-511.
  5. Østerberg JT, Xiang W, Olsen LI, Edenbrandt AK, Vedel SE, Christiansen A, Landes X, Andersen MM, Pagh P, Sandøe P, Nielsen J, Christensen SB, Thorsen BJ, Kappel K, Gamborg C, Palmgren M (2017) Accelerating the domestication of new crops: Feasibility and approaches. Trends Plant Sci. 22: 373-384.
  6. Li T, Yang X, Yu Y, Si X, Zhai X, Zhang H, Dong W, Gao C, Xu C (2018) Domestication of wild tomato is accelerated by genome editing. Nat Biotechnol. 2018 Oct 1. doi: 10.1038/nbt.4273.
  7. Zsögön A, Čermák T, Naves ER, Notini MM, Edel KH, Weinl S, Freschi L, Voytas DF, Kudla J, Peres LEP (2018) De novo domestication of wild tomato using genome editing. Nat Biotechnol. 2018 Oct 1. doi: 10.1038/nbt.4272.
  8. Ledford H (2016) Science stars of China: Caixia Gao – Crop engineer. Nature 534: 459.
  9. Lemmon ZH, Reem NT, Dalrymple J, Soyk S, Swartwood KE, Rodriguez-Leal D, Van Eck J, Lippman ZB (2018) Rapid improvement of domestication traits in an orphan crop by genome editing. Nat Plants 4: 766-770.

Artiklen blev udgivet første gang i BioZoom nr. 4 2018.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s