Almindelig gåsemad. - modelplante nr. 1. planteforskning.dk Modelplanter

Transkript

1 Almindelig gåsemad - modelplante nr. 1 En lille enårig plante er blevet yndlingsobjekt for tusindvis af planteforskere verden over. Dens arvemasse er sekventeret, og de fleste af dens gener er identificeret. Viden fra grundvidenskabelige studier af gåsemad (Arabidopsis thaliana) anvendes i stigende grad, når der forædles nye sorter af dyrkede afgrøder. Af Lea Møller Jensen, Morten Egevang Jørgensen, Barbara Ann Halkier og Inga Christensen Bach, Institut for Plante- og Miljøvidenskab, Det Natur- og Biovidenskabelige Fakultet, Københavns Universitet Vi lever i den postgenomiske æra, dvs i tiden, hvor en lang række organismer har fået sekventeret hele arvemassen (genomet). Det var de relativt små genomer hos visse bakterier, der først blev sekventeret, men nu kender man DNA sekvensen for alle kromosomer hos en række eukaryote modelorganismer f.eks. gær (Saccharomyces cerevisiae), bananflue (Drosophila melanogaster), rundorm (Caenorhabditis elegans) og mus (Mus musculus). Også menneskets genom er blevet sekventeret. Almindelig gåsemad (Arabidopsis thaliana), herefter kaldet Arabidopsis (Figur 1), var den første blomstrende plante, der fik sit genom sekventeret. Arabidopsis hører til korsblomstfamilien og er tæt beslægtet med frøafgrøder som raps og sennep, grønsager som kål og radis, samt smagsgivende urter som peberrod og wasabi. Arabidopsis findes både på opdyrkede marker, hvor den betragtes som en ukrudtsplante, og i naturen i store dele af verden (Figur 2). Arabidopsis fik sit gennembrud som modelplante, fordi den har det mindste genom - kun ca 125 millioner basepar - som hidtil er fundet hos højere planter, og fordi den har en kort livscyklus Ofte er formålet med studier af generne i Arabidopsis at få basal viden om planters biologi, men dette grundvidenskabelige arbejde kan også danne fundamentet for anvendt forskning, hvor formålet er at udvikle afgrøder med nyttige egenskaber. For mange afgrødearter har det hidtil været en uoverskuelig opgave at få overblik over genomet. Det skyldes, at disse arters genomer er meget store. Hos hvede er genomet f.eks. på ~16 milliarder basepar (Tabel 1). Genomet i Arabidopsis indeholder næsten alle de gener, som findes i afgrødearterne, men Arabidopsis indeholder langt mindre ikke-kodende DNA, ofte omtalt som junk DNA, end afgrødearterne. Det er en af årsagerne til, at brugen af en modelplante som Arabidopsis er så essentiel. Genomsekvenserne for nogle afgrødearter er blevet Figur 1. Almindelig gåsemad (Arabidopsis thaliana) i sprækker mellem fliser i Nærum nord for København. Foto: Jesper Reibel, 1 December 2013

2 Tabel 1. Genomstørrelser Organisme Genom (Mbp) Antal gener Hvede Menneske (Homo sapiens) Alm gåsemad (Arabidopsis thaliana) Bananflue (Drosophila melanogaster) Gær (Saccharomyces cerevisiae) 12, Colibakterie (Escherichia coli) 5, I år 2000 blev DNA-sekvensen for Arabidopsisgenomet offentliggjort. Med de sekventeringsmetoder, der var til rådighed i 1990 erne krævede det en enorm forskningsindsats at sekventere de ca. 125 Mbp. Den teknologiske udvikling, ikke mindst mht. databehandling, har gjort det muligt at sekventere meget større genomer på meget kortere tid, og flere afgrøders genomer er nu sekventeret. Alle blomstrende plantearter synes at indeholde omkring forskellige proteinkodende gener. Nogle arter har mange kopier af det samme gen, hvilket er medvirkende til forskellen i genomstørrelsen. Imidlertid er den væsentligste forklaring på de store forskelle i genomstørrelse, at nogle arters genomer indeholder store mængder ikke-kodende DNA, tidligere kaldet junk DNA. Efterhånden som flere og flere geners funktion er blevet karakteriseret i Arabidopsis er betydningen af det ikke-kodende DNA blevet associeret med genregulering. Denne viden forventes at kunne bruges i fremtiden i forbindelse med generering af planter med forbedrede egenskaber. tilgængelige for nyligt, og flere er på vej, men ofte er det betydeligt lettere at teste hypoteser ved forsøg med Arabidopsis og efterfølgende implementere positive forsøgsresultater i afgrødearterne. Viden om planternes genom er et vigtigt redskab i moderne planteforædling uanset, om generne overføres fra plante til plante ved hjælp af krydsning eller ved hjælp af genteknologi. Meget af nutidens viden om afgrødearternes gener bygger på forsøg med mutanter af Arabidopsis og kendskab til denne lille plantes gener. Dens livscyklus er kort. Det tager kun omkring 8 uger fra man sår et frø til planten har blomstret og sat frø. Det er kort tid sammenlignet med andre enårige plantearter som f.eks. hvede eller raps. For flerårige planter kan det tage adskillige år fra et frø spirer til planten selv begynder at producere frø. Arabidopsis thaliana som modelplante Der er mange gode grunde til at anvende Arabidopsis som modelplante, udover at den har et lille genomdet lille genom er især vigtigt, når man ønsker at sekventere hele arvemassen og finde alle generne, men der er også andre gode grunde til at anvende Arabidopsis som modelplante. Figur 2. Udbredelse af Arabidopsis thaliana på den nordlige halvkugle. Kilde: Den Virtuelle Floran Figur 3. Arabidopsis thaliana i klimakammer på Institut for Planteog miljøvidenskab på Københavns Universitet. Planter med gule skilte er genetisk modificerede. Foto: Inga Christensen Bach. 2 December 2013

3 Arabidopsis bliver kun ca. 25 cm høj, og den stiller kun små krav til vækstbetingelserne. Den beskedne størrelse og evnen til at vokse under suboptimale forhold muliggør, at mange individer let kan dyrkes under laboratorieforhold dvs. enten i vækstkammer eller drivhus (Figur 3). Arabidopsis er selvbestøvende, men det er let at lave kontrollerede krydsninger mellem individer. Den er diploid (2n), og en enkelt plante kan producere tusindvis af frø. Det giver store fordele i forbindelse med genetiske studier. Man kan f.eks. generere en stor krydsningspopulation ved at krydse to individer, der har forskellige egenskaber. Egenskaber, som spalter ud i F2-generationen, kan kortlægges. Det er nemt at indsætte gener i genomet hos Arabidopsis ved hjælp af bakterien Agrobacterium tumifaciens (Figur 4 og 5). Kort livscyklus i kombination med nem transformation gør det let og hurtigt at teste et gens funktion (nu som transgen) in planta. Sekventering af en organismes genom siger ikke noget om funktionen af de forskellige gener. En klassisk vej til at opnå viden om et gens funktion er at sammenligne individer, som indeholder forskellige varianter (alleler) af et gen. Genetisk variation er essentiel, når geners funktion skal undersøges. Variationen kan opstå på naturlig vis ved forskellige fysiske, kemiske og biologiske påvirkninger. Naturlig genetisk variation Arabidopsis vokser i naturlige økosystemer eller på opdyrkede arealer mange steder i verden, lige fra det kolde Sibirien til ørkenagtige områder på Azorerne. Der er beskrevet over 750 forskellige økotyper af Arabidopsis, som hver især har tilpasset sig lokale vækstbetingelser. De har vokset i utallige generationer i naturens laboratorium, og det har resulteret i planter, der er tilpasset vidt forskellige forhold. De mange økotyper af Arabidopsis udgør et skatkammer af planter med tolerance overfor kulde, salt eller tørke etc. eller resistens overfor sygdomme eller skadedyr. Tilpasningen til disse abiotiske og biotiske stresspåvirkninger ses ved ændrede fysiologiske og biokemiske egenskaber og afspejler stor genetiske variation. Forskellige økotyper af Arabidopsis er blevet indsamlet og gjort offentligt tilgængelige for planteforskere, og flere af økotyperne er sågar sekventeret. Nye mutanter Udover de spontant opståede mutationer, som giver naturlige varianter, kan nye genotyper af Arabidopsis frembringes ved hjælp af bestråling eller behandling med kemikalier, eller de kan frembringes ved hjælp af transformation. Kemisk inducerede mutationer Mutationer kan induceres i Arabidopsisgenomet ved hjælp af ethylmethansulfonat (EMS). Dette stof påvirker plantens DNA, så nogle af G:C basepar omdannes til A:T basepar. EMS-behandling medfører således, at der genereres punktmutationer i genomet. En plante, som har været udsat for EMS-behandling, kan have mutationer i mange forskellige gener. EMS-behandling er en nem måde at få store mængder af muterede frø til screening for individer med ændrede egenskaber, men selve screeningen kan være meget ressourcekrævende. Hvis man har brug for en Arabidopsisplante med en bestemt fænotype, kan man spire mange tusinde frø fra en EMS-population og lede efter de ganske få planter, som har en mutation, som giver netop den ønskede fænotype. Selvom populationen består af mange genetisk forskellige individer, der hver især indeholder mange forskellige mutationer, er der ingen garanti for succes. Figur 4. Arabidopsis thaliana er let at transformere ved hjælp af Floral-dip metoden. Blomsterstanden dyppes i en suspension af Agrobacterium, som inficerer nogle af plantens celler og overfører T-DNA fra et plasmid til plantens genom. Hvis en ægcelle i blomsterstanden bliver transformeret, vil alle celler i det frø, som ægcellen udvikler sig til, være transgene. Foto: Tom Hamborg Nielsen Figur 5. Kun en mindre andel af de frø, som høstes fra en blomsterstand, som har været dyppet i en suspension af Agrobacterium, vil være transgene. Hvis T-DNA indeholder et selektionsgen, f.eks. NPTII, som giver resistens mod et antibiotikum ved navn kanamycin, kan de transgene individer selekteres på et dyrkningsmedium, som indeholder kanamycin. Foto: Lea Møller Jensen 3 December 2013

4 En population af EMS-mutanter kan også screenes med udgangspunkt i genotypen. Hvis man har brug for en plante med en mutation i et specifikt gen, søger man efter mutanter i populationen ved hjælp af en PCR-baseret metode. Punktmutationer afsløres via manglende baseparring mellem PCR-produktet fra mutanten og vildtypen. Denne metode kaldes TILLING (Targeting Induced Local Lesions IN Genomes). Ved TILLING fås typisk en række forskellige alleller af et givent gen. Hos en del af disse planter vil der kun være en enkelt ændring i proteinets aminosyresekvens, og man skal være heldig for at finde en punktmutation, som introducerer et stop codon i den første del af genet, så det inaktiveres (en knockout mutant). T-DNA mutanter T-DNA mutanter er dannet ved brug af det biologiske mutagen, T-DNAet. I naturen danner Agrobacterium tumefaciens svulster (galler) i planter, idet denne bakterie fra naturens side på unik vis er i stand til at overføre gener til planternes genom. Generne overføres fra bakteriens Ti-plasmid (Ti = tumor-inducerende) til plantens genom, og derved påvirker den plantens metabolisme til sin egen fordel. DNA stykket, der overføres og indsættes, kaldes T-DNA (Transfer DNA). Når T-DNAet bruges som mutagen, er det blevet afvæbnet, så indsættelse i plantens genom ikke medfører dannelse af svulster. De gener, som de naturligt forekommende stammer af Agrobacterium sætter ind, er fjernet fra plasmidets T-DNA. I stedet er der indsat et selektionsgen, f.eks. genet nptii, der giver resistens overfor et antibiotikum ved navn kanamycin. Bakterien indeholder stadig de gener, som er nødvendige for, at den kan indsætte T-DNA i plantens genom, men disse gener bliver ikke overført. Bortset fra antibiotikaresistens får T-DNA mutanterne ikke tilført gener, der medfører at plantens egenskaber (fænotype) ændres. Hvis en plantes fænotype er blevet ændret som følge af indsættelse af T-DNA, skyldes det, at aktiviteten af et eller flere af plantens egne gener er blevet ændret. Aktiviteten af et gen kan ændres ved at et T-DNA sættes ind i selve genet, så læserammen brydes, eller i promotoren, som styrer transkriptionen af genet. Aktiviteten af et gen kan også ændres indirekte, f.eks. ved at et T-DNA sætter sig ind, så det påvirker aktiviteten af en transkriptionsfaktor, som regulerer genets aktivitet. Det er ikke muligt at få Agrobacterium til at introducere T-DNA til et specifikt sted i plantens genom, men ved at sekventere de flankerende sekvenser til T-DNAet kan man bestemme den præcise placering. Flere hundrede tusinde Arabidopsis T-DNA mutanter er karakteriseret, og beskrivelser af dem er tilgængelige i databaser (Faktaboks 1) Anvendelse af mutanter i forskningen Mutanter er meget nyttige i forskningen. Det gælder både, når man tager udgangspunkt i en plante med en specifik fænotype og ønsker at finde ud af, hvilke gener, der forårsager denne fænotype, og når man tager udgangspunkt i DNA sekvensen for et specifikt gen og ønsker at klarlægge funktionen af dette gen. De to veje til kobling mellem fænotype og genotype kaldes ofte hhv. forward genetics og reverse genetics. Fra fænotype til gen - forward genetics Ved forward genetics haves en mutant med ændrede egenskaber uden at det vides, hvilket gen som er muteret. Metoden til kobling af den specifikke fænotype til det muterede gen afhænger af typen af mutation. For T-DNA mutanter er metoden enkel, idet det muterede gen identificeres ved at sekventere de flankerende sekvenser for T-DNA et. Ved andre typer af mutationer f.eks. de spontant opståede, som giver naturlig variation hos økotyperne eller EMS-inducerede mutationer, kortlægges mutationen ved krydsningsforsøg. Mutanten krydses med enten en anden økotype eller med en vildtypeplante, og i de følgende generationer scores de individuelle planter i forhold til den ønskede fænotype. Samtidig bruges forskellige genomiske markører til at finde det område på genomet, som er koblet til den ønskede fænotype. Ved at have en stor krydsningspopulation samt mange genetiske markører, kan det indsnævres, hvor på genomet genet sidder. Dette område kan undersøges videre ved hjælp af sekventering. I den post-genomiske æra er det blevet betydeligt nemmere at identificere genmutationer, om end kortlægning ved krydsning stadig er en langsommelig proces. Efter Faktaboks 1. Databaser over samlinger af T-DNA og EMS mutanter af Arabidopsis For Arabidopsis findes store samlinger af T-DNA mutanter, hvor man præcis ved i hvilket gen, T-DNA et er indsat. Det har muliggjort, at man blot via en hjemmeside kan undersøge, om der findes en T-DNA mutant, som er muteret i netop det gen, som man ønsker at analysere. I så fald kan der bestilles frø hjem, og efterfølgende studier af mutanten kan medvirke til at give information om genets mulige funktion. The Arabidopsis Information Ressource-TAIR ( er en database for Arabidopsis thaliana, hvor det er muligt at finde offentlig tilgængelig information omkring A. thaliana genomet i form af sekvenser, genannoteringer og artikler. I tillæg er der links til en række tjenester og værktøjer til brug i forsknings øjemed heriblandt links til databaser over T-DNA knockout mutanter og EMS mutanter, som det er muligt at bestille frø fra. 4 December 2013

5 udbredelsen af 2nd generation sequencing (Faktaboks 2), er det muligt at sekventere sig frem til den ønskede mutation, men denne strategi er endnu for kostbar for almindelige forskningsbudgetter. Fra gen til fænotype - Reverse genetics Ved reverse genetics haves et gen, hvis funktion man ønsker at identificere. Det sker ved at undersøge, hvilken egenskab som er ændret i en plante, som er muteret i pågældende gen, dvs et specifikt gen kobles til en fænotype. På en hjemmeside med data om store samlinger af T-DNA mutanter kan man undersøge, om der findes en T-DNA mutant for et givent gen. Hvis der gør, kan frø hentes hjem og undersøgelse af fænotypiske egenskaber indledes. Eksempler på Arabidopsismutanter Mutanter af Arabidopsis bruges til studier af den genetik, der ligger bag både primær og sekundær metabolisme, f.eks. syntese og nedbrydning af stivelse, transport af næringsstoffer eller produktion af forsvarsstoffer. Arabidopsismutanter spiller en vigtig rolle i studier af, hvordan planter optager næringsstoffer fra jorden og transporterer dem rundt i plantens væv. Når normale planter mangler fosfat, sætter de mekanismer i gang for at øge tilgængelighed, optagelse og genbrug af fosfat. Det er vigtigt for planten, at dette nødforsyningssystem lukkes ned, når der igen er nok fosfat, så planten ikke bruger flere ressourcer end nødvendigt. Ved hjælp af mutanter er der identificeret transkriptionsfaktorer, som styrer aktiviteten af gener som er direkte involveret i planternes fosfatmetabolisme. For eksempel kan phr1 mutanten ikke reagere normalt på fosfatmangel (Figur 6). Uorganisk fosfat, som bruges i fremstilling af gødning, er en ikke-fornybar ressource, og viden om planters udnyttelse af fosfat er vigtig i forbindelse med udvikling af afgrøder, der vokser godt ved lav tilførsel af gødning. Zink og andre metaller transporteres på tværs af membraner ved hjælp af biologiske pumper. De pumper, Figur 6. Wildtype (tv) og phr1 mutant (th). Begge planter er dyrket ved lav fosfat kombineret med et højt lysniveau. Dette giver en stress, som den normale plante bl.a. reagerer på ved at danne røde farvestoffer (anthocyanin), som skal hjælpe med beskytte den. Mutanten danner ikke disse farvestoffer og dens fotosyntese bliver stærkt skadet af det høje lysniveau. Foto: Tom Hamborg Nielsen. som transporterer zink, kan også transportere cadmium, som er særdeles giftigt for både planter og dyr. Ved hjælp af mutanter med modificerede udgaver af disse pumper undersøges det, som det er muligt at få planter til at optage zink uden også at akkumulere cadmium. Arabidopsismutanter spiller en særlig rolle i studier af biosyntesen af glucosinolater i planter fra korsblomstfamilien. Glucosinolater er de naturstoffer (ofte kaldet sekundære metabolitter), som giver den skarpe smag i radiser og andre arter fra korsblomstfamilien. Hele biosyntesevejen for glucosinolater er nu opklaret, og vi har et nøje kendskab til de proteiner, som er involveret i den hydrolyse, som sker, når plantevævet bliver beskadiget, f.eks. ved insektangreb. Fra genomics til metabolomics Forskning i en organismes DNA (genomics) kan ikke stå alene. Som nævnt siger sekventering af et genom ikke noget om de forskellige geners funktion, eller om de overhovedet bliver udtrykt i organismen. Det næste skridt er at sekventere organismens transkriptom, dvs. den population af mrna, som findes på et givent tidspunkt. Det opnås ved at sekventere biblioteker af cdna (som er reverse-transkriberet mrna), og dermed få et billede på, hvilke gener som er udtrykt i et givent væv. Sekventering af organismers proteomer, dvs. populationer af proteiner på et givent tidspunkt, er også relevant. Et proteom informerer dels, om hvilke mrna er som rent faktisk bliver translateret og dels, om et givent protein har undergået posttranslationelle modifikationer. Sidstnævnte kan have stor betydning for et proteins aktivitet. Man er ydermere begyndt at indsamle information om en organismes metabolom, som er dets metabolitprofil på et givent tidspunkt. Tilsammen muliggør den nye viden, som opnås indenfor genomics, transkriptomics, proteomics og metabolomics og som i stor grad er tilgængelig via databaser på nettet, en fantastisk skattekiste af molekylærbiologiske værktøjer. Ny viden om de enkelte geners funktion(er) og samspil med hinanden i modelorganismer åbner mulighed for efterfølgende at anvende denne viden i praksis. Fra grundforskning til praktisk anvendelse Siden år 2000, hvor DNA sekvensen for Arabidopsisgenomet blev offentligtgjort, har det internationale netværk af planteforskere opbygget en ganske overvældende mængde viden om plantegeners funktion og effekt på modelplantens fitness. Der er et meget stort potentiale i at overføre grundlæggende viden om genernes funktion i Arabidopsis til afgrøder. Strategien omtales ofte som Translational research, dvs. at resultater fra grundforskning og modelorganismer oversættes til produktionsorganismer. Der er flere eksempler på, at resultater af genetiske og biokemiske studier af Arabidopsis er blevet overført til afgrødearter. For eksempel har identifikation af gener, som har indflydelse på, om Arabidopsis åbner skulperne 5 December 2013

6 Faktaboks 2. Sekventering version 2.0 Sekventering af hele genomer var for bare få år tilbage en uoverkommelig opgave for enkelte laboratorier at udføre. Med implementeringen af 2. generations sekventering er sekventering af hele genomer blevet muligt for forskere, der ikke er tilknyttet maskinparkerne i de store genomcentre. Ved 2. generations sekventering forstås enten 454 sekventering eller Solexa sekventering. Begge 2. generations sekventeringsmetoder er baseret på sequencing by synthesis, hvilket muliggør at milliardvis af reaktioner kan forløbe samtidigt. Denne måde at sekventere DNA stykker parellelt har muliggjort at sekventere et genom meget billigt og hurtigt i forhold til den klassiske Sanger sekventeringsmetode sequencing by chain-termination, som har været standard i tre årtier. En vigtig forskel på den klassiske sekventeringsmetode og de nye metoder er karakteren af de data man får. Ved Solexa og 454 sekventering fås en masse korte sekvenser på ca basepar, der dækker hele genomet mange gange (genomer er i million basepar størrelsesordenen). Ved Sanger sekventering fås sekvenser på helt op til 1000 basepar. Det er mere kompliceret at samle de mange korte sekvenser til en sammenhængende genomsekvens. Det gælder især ved Solexa sekventeringen, da den mest anvendte sekvens længde er på 36 eller 76 basepars længde. Det er i denne forbindelse, at de sekventerede modelplanter er et vigtigt supplerende redskab til at samle genomerne for andre organismer. Ved at bruge modelplantens genom som skabelon er det muligt at tage de korte sekvenser og finde deres position på modelgenomet og derved stykke genomet sammen. Med de nye sekventeringsteknikker kan menneskets genom sekventeres for under 1000 US$. umiddelbart efter at frøene er modne, eller om de forbliver lukkede, ført til udvikling af dryssefast raps (Figur 7). Et andet eksempel er kartofler, som indeholder stivelse, der egner sig til specifikke formål (Figur 8.) Kendskabet til biosyntese- og hydrolysevejene for glucosinolater har muliggjort udvikling af en superbroccoli, som producerer mellem 10 og 100 gange mere sulforafan end almindelige broccolisorter. Denne broccoli har dels øget biosyntese af glucoraphanin (Figur 9), og dels er ESPproteinet fjernet, hvorved glucosinolathydrolysen forløber i retning mod isothiocyanatdannelse. Superbroccolien er kommet til verden ved krydsning mellem en vild broccoliart fra Sicilien og en moderne sort. Afkomsplanter med ønskede gener fra den vilde art er udvalgt på grundlag af specifikke DNA-analyser. Glucosinolater findes normalt kun i afgrøder fra korsblomstfamilien, men det er nu lykkedes at overføre hele biosyntesevejen (13 gener!) for glucoraphanin til tobak (Figur 9). Det viser, at produktion af glucosinolater er mulig i andre værtsorganismer. Resultaterne fra tobak giver håb om, at det også vil være muligt at overføre syntesevejen til gær og derved udvikle en teknologiplatform til mikrobiel produktion af store mængder glucoraphanin. Figur 7. GM-raps holder på frøene Rapsplanter åbner normalt skulperne, så snart frøene er modne. Det kan medføre store udbyttetab, da planterne smider frøene på marken før høst. I Arabidopsis har det vist sig, at overudtrykning af genet FRUITFULL forhindrer åbning af skulpen. Denne viden er blevet brugt til fremstilling af en dryssefast raps, der overudtrykker FRUITFULL genet fra Arabidopsis. Figur 8. Kartoffel med nye egenskaber Stivelse udvundet fra kartofler anvendes både som fødevareingrediens og i produktion af papir, tekstiler og emballage. Stivelse består af en blanding af amylose og amylopektin, men til nogle formål foretrækkes rent amylopektin. I den genmodificerede kartoffel Amflora er ekspessionen af gbss-genet, som er involveret i amylosesyntesen, nedreguleret. 6 December 2013

7 Figur 9. Glucosinolater. Plantearter fra korsblomstfamilien indeholder bl.a glucoraphanin, som menes at være et særlig potent kræftforebyggende plantenaturstof. Det vil muliggøre indtagelse af veldefinerede doser af glucoraphanin, f.eks. som led i medicinsk behandling. GMO eller konventionel afgrødesort I nogle tilfælde tilføres afgrøden en ny egenskab ved at et stykke DNA sættes ind i planten, men selvom genomet tilføres et stykke DNA, dannes der ikke nødvendigvis et nyt protein. Målet kan f.eks. være at få en plante, som har egenskaber svarende til en knock out mutant af Arabidopsis. I så tilfælde slukkes for det tilsvarende gen i afgrødearten ved hjælp af DNA sekvenser fra det gen, som skal slukkes. Målet kunne også være at øge aktiviteten af et af plantens gener. Det kan gøres ved at indsætte en ekstra kopi af genet, så der dannes mere af et protein, som planten selv danner i forvejen. Når et stykke DNA klones og indsættes i en plantes genom, er den nye afgrødesort underkastet GMOlovgivningen. Det gælder, uanset om der udtrykkes artsfremmede proteiner, eller om der blot dannes mindre af et af plantens egne proteiner. En ny sort kategoriseres også som en GMO, hvis der indsættes en ekstra kopi af et af plantens egne gener. Hvis planten har fået en ekstra kopi af det pågældende gen ved en spontant opstået genduplikation, hører den nye sort under lovgivningen for konventionelt forædlede sorter. I praksis har GMO-lovgivningens restriktive regulativer den effekt, at planteforædlingsfirmaerne så vidt muligt benytter andre metoder, f.eks. mutationsforædling, til at opnå de ønskede egenskaber. Med TILLING er der for alvor kommet gang i udvikling af afgrødesorter med inducerede mutationer. TILLING er udviklet i Arabidopsis, men anvendes i stigende grad i afgrøder som f.eks. hvede. Uanset hvor mange mutationer, der er introduceret ved hjælp af bestråling eller EMS, er TILLING mutanter ikke underlagt den lovgivning, som gælder for GMO. Perspektiver for planteforædling Bioteknologien udvikler sig særdeles hurtigt i denne tid, og der er store forventninger til plantebioteknologien. Det forventes, at ny teknologi kan bidrage med løsninger på en række af de kommende års store udfordringer. Målet er at tilvejebringe tilstrækkeligt med vegetabilske fødevarer, dyrefoder og bioenergi til både nuværende og kommende generationer. Et af midlerne er at forædle nye sorter af velkendte kulturplanter, der i højere grad end eksisterende sorter, kan opfylde fremtidens behov. Planteforædling - uanset metode - kan naturligvis ikke give svaret på alle de udfordringer, som verden står overfor, men optimering af planteproduktionen er nødvendig, hvis levestandarden i den fattige del af verden skal øges, samtidig med at den nuværende levestandard bevares i rige lande. Nye robuste og produktive afgrødesorter skal kombineres med dyrkningssystemer, der er bæredygtige og produktive på samme tid. Dertil kommer en lang række kulturelle og økonomiske barrierer, som skal overvindes. Videre læsning Blennow A og Bach IC (2009) Sund stivelse, vegetabilsk vingummi og spiselig plastik. Planteforskning.dk Müller R, Nilsson L, Nielsen TH (2005) Planters tilpasning til fosfatmangel - grundforskning med perspektiver. Planteforskning. dk Vester JK (2009) Produktion af det bio-aktive stof fra broccoli i gær. Planteforskning.dk Referencer Burow M, Halkier BA, Kliebenstein DJ (2010). Regulatory networks of glucosinolates shape Arabidopsis thaliana fitness. Current Opinion in Plant Biology 13: Bækgaard L, Roed MD, Sørensen DM, Hegelund JN, Persson DO, Mills RF, Yang Z, Husted S, Andersen JP, Buch-Pedersen M, Schjørring, JK, Williams LE, Palmgren MG (2010). A combined zinc/cadmium sensor and zinc/cadmium export regulator in a heavy metal pump. Journal of Biological Chemistry 8: Mikkelsen MD, Olsen CE, Halkier BA (2010). Production of the cancer-preventive glucoraphanin in tobacco. Molecular Plant 3: Nilsson L, Müller R, Nielsen TH (2007). Increased expression of the MYB-related transcription factor, PHR1, leads to enhanced phosphate uptake in Arabidopsis thaliana. Plant, Cell and Environment 30: Sønderby IE, Geu Flores F, Halkier BA (2010). Biosynthesis of glucosinolates - gene discovery and beyond. Trends in Plant Science 15: Ordforklaringer Allel: variant af et gen. Et gen er lokaliseret et bestemt sted på et kromosom og findes ofte i flere varianter i en population, dvs. med små forskelle i sekvensen. Disse varianter kaldes alleler. Diploid: organisme eller celle, der indeholder to sæt kromosomer (2n). Genom: den totale genetiske information, der bæres af et enkelt sæt kromosomer. Homozygot: en organisme eller celle, der har samme alleler for et givet locus på alle kromosomer. Locus: det sted på et kromosom, hvor et gen er placeret. Patogen: en mikroorganisme, der medfører en sygdom. Plasmid: små cirkulære eller lineære DNA-molekyler, som kan anvendes som vektorer til indsætning af bestemte gener. Ortologe gener: gener hos forskellige arter med samme funktion og fælles oprindelse. 7 December 2013