Bioteknologi - status og fremtid Efterårskonference PLANTEAVL 2002 Hotel Nyborg Strand 24 september, Mødeledere: Christian Haldrup, Landbrugets Rådgivningscenter og Preben Bach Holm,
Planteavlens udfordringer Det lokale plan Stigende international konkurrence Reducerede tilskud Reduktion i anvendelsen af gødning og pesticider Reduceret dyrkningsareal Ministry of Food, Agriculture and Fisheries Danish Intitute of Agricultural Sciences
Planteavlens udfordringer Det globale plan I udviklingslandene ernærer 70% af befolkningen sig direkte eller indirekte ved landbrug. Forøget indtjening i landbruget er en forudsætning for disse landes fortsatte udvikling 800 mill. mennesker lever for mindre end en US$ per dag Befolkningen i udviklingslandene vil stige med 3 milliarder mennesker indtil 2050 Milliarder af mennesker er fejlernærede Der skal produceres lige så mange fødevarer indenfor de næste 50 år som i hele landbrugets historie Ministry of Food, Agriculture and Fisheries Danish Intitute of Agricultural Sciences
Indtil nu har det været muligt for fødevareproduktionen at holde trit med befolkningsudviklingen. Dette skyldes: Udvikling af nye plantesorter med bedre udbytte og sygdomsresistens (50%) Udvikling af bedre dyrkningsteknologi, herunder anvendelse af kunstvanding, kunstgødning og pesticider (50%) Det vil være muligt at forøge udbytterne via inddragelse af marginaljord og yderligere anvendelse af kunstvanding, gødskning og pesticider MEN: Mere af det samme vil ikke løse problemet!
Der er behov for en ny Grøn Revolution Den nye Grønne Revolution skal være dobbelt grøn, en Biorevolution
Baggrund Forståelsen af den genetisk basis for planters egenskaber udvikler sig i disse år meget hurtigt Dette skyldes udvikling af en række genetiske værktøjer og teknikker, der muliggør langt mere omfattende og detaljerede analyser end tidligere Vi vil få en omfattende viden om vore kulturplanters egenskaber indenfor områder som: Human og animalsk ernæring Sygdomsresistens Udnyttelse af næringsstoffer Tolerance overfor kulde og tørke Men nye muligheder skaber nye problemer
Bioteknologi visioner og muligheder Preben Bach Holm, Lovgivning om dyrkning af gensplejsede planter i EU Svend Pedersen, Plantedirektoratet Anvendelse af DNA markører i planteforædlingen Gunter Backes, Forskningscenter Risø
DISPOSITION Plantebioteknologiens udvikling Status for de økonomiske og miljømæssige konsekvenser af plantebioteknologi Fremtiden og internationale og danske forskningsinitiativer
Teknologier Det er i dag muligt at lave en stor-skala sekventering af planters arvemasse: Genomet
Arabidopsis thaliana (Gåsemad) planteforskningens bananflue Arabidopsis blev færdigsekventeret i år 2000 Der er identificeret 26.500 gener Mindre end 10% af disse gener har været analyseret. Halvdelen af generne er hidtil ukendte
Ris Den officielle og frit tilgængelige genomsekvens af ris forventes offentliggjort i slutningen af år 2002 Der er identificeret 46.000 55.000 gener
Microarrays Etablering af de såkaldte microarrays muliggør, at mange tusinde geners udtrykkelse kan analyseres samtidigt
Proteomics Ved hjælp af proteomics kan man få en kvantitativ vurdering af de forskellige vævs indhold af proteiner og ændringer som følge af indefra eller udefra kommende påvirkninger
Bioinformatik Den genetisk information samles i store databaser. For at kunne håndtere og udnytte de store mængder information er der udviklet en ny disciplin: Bioinformatik
Genetik og DNA markører Plantegenetikken gennemgår en meget hurtig udvikling især grundet udviklingen af de såkaldte DNA markører
Fremtidens planteforædling Er egenskaben tilstede i nære slægtninge? JA Konventionel forædling og mutagenese Gensplejsning for karakter identifikation NEJ Indsættelse af gener fra andre organismer Kortlægning af de involverede gener Udvikling af markører for genet Identifikation af DNA markører Screening af sorter og vilde slægtninge GMO forædling DNA markør baseret forædling
Anvendelse af plantebioteknologi i industrilandene DNA markører anvendes som værktøjer af langt de fleste planteforædlere Det er ikke muligt at vurdere den økonomiske og praktiske betydning af denne del af plantebioteknologien, idet der ikke er krav om dokumentation for frembringelsesmåde indenfor den konventionelle forædling Kravet om dokumentation for sorter frembragt ved gensplejsning muliggør detaljerede undersøgelser af effekten på økonomi og miljø.
Herbicidresistente soyabønner 75% af soyabønneproduktion i USA var I 2002 herbicidresistente sorter. Dyrkningsmæssige fordele: Reducerede energi- og lønudgifter på grund af færre sprøjtninger. Reducerede pesticidudgifter Større frihed hvad angår sprøjtningstidspunkt Gav i 2001 en merindtjening p$1000 mill. Miljømæssige fordele: Ingen eller stærkt reduceret jordbearbejdning 13.4 mill pund glyphosat har erstattet 9.9 mill pund væsentligt giftigere herbicider (1999)
Herbicidresistent raps i Canada Ifølge Canola Council of Canada gav de inddirekte og direkte fordele ved rapsdyrkning en merindtjening på $ 464 mill. for perioden 1997-2000 Der var i 2002 en energibesparelse på 31.2 mill liter dieselolie Det er uklart, om der har været en reduktion i mængden af herbicider, men de anvendte midler er mere miljøvenlige
Insektresistent Bt majs 34% af majsproduktionen i USA var i 2002 insekt og/eller herbicid resistent European Corn Borer forårsager årlige udbyttetab i USA på 1 milliard $ Dyrkningsmæssige fordele Permanent insektbeskyttelse Mindre monitering Gav i 2001 en merindtjening på 58 mill $ Miljø- og sundhedsmæssige fordele Mindre reduktion i pesticidforbrug Væsentlig reduktion i svampangreb - aflatoxiner
FUNGAL MYCOTOXINS IN CORN Corn cob with Fusarium infestation European Corn Borer (a) & Pink Stem Borer (b) in a corn stalk (a) (b) Under adverse climatic conditions, fungi of the Fusarium family can infest corn plants. Damage caused by tunnel-boring larvae of insects such as the European Corn Borer or the Pink Stem Borer facilitates fungal infestations. Fusarium sometimes produce potent toxins known as mycotoxins. Their toxicity to animals are well known, their effects on humans is increasingly investigated. In Europe, current regulations cover mainly aflatoxins. Regulation may soon be extended to cover other mycotoxins (for example fumonisins).
Insektresistent Bt bomuld 71% af bomuldsproduktionen i USA var i 2002 insekt- og/eller herbicidresistent. Angreb af møllarver forårsager meget store udbyttetab, og der sprøjtes meget hyppigt med bredspektrede insekticider. Dyrkning af bomuld er opgivet i en række områder på grund af udvikling af resistens mod insekticiderne. Dyrkningsmæssige fordele Permanent beskyttelse Mindre monitering Gav i 2001 en merindtjening på $ 133 mill Miljømæsssige fordele Reduktion på 2.7 mill pund insekticider i 1999 i USA
En omfattende gennemgang af den videnskabelige litteratur støtter den generelle konklusion, at de nuværende markedsførte gensplejsede sorter af sojabønner, majs og bomuld giver miljømæssige fordele. Derudover støtter en kritisk analyse af litteraturen det synspunkt, at de gensplejsede sorter af sojabønner, majs og bomuld ikke giver ophav til bekymringer for miljøet, der er unikke eller forskellige fra de bekymringer, der historisk set er forbundet med de konvenionelt frembragte sorter. Comparative Environmental Impact of Biotechnology-derived and Traditional Soybean, Corn and Cotton Crops (Council for Agricultural Science and Technology, Iowa, USA (http://www.castscience.org/biotechnology) I 2001 var der i USA en samlet reduktion i pesticidanvendelsen på 45,6 mill pounds
Insektresistent Bt bomuld i Kina I 2001 dyrkedes der insektresistente sorter på 31% af bomuldsarealet (1.5 mill. hektar). Der kan igen dyrkes bomuld i områder, hvor produktionen på grund af insekticidresistens var opgivet Sorterne er dels udviklet i Kina (22 sorter), dels markedsføres amerikanske sorter (5 sorter) Der er en stabil udbyttefremgang på 10% Pesticidforbruget er mere end halveret (78.000 tons formuleret insekticid) Antallet af forgiftningstilfælde hos landmændene er gået markant ned I 2001 var der en merindtjening på $ 500 pr. hektar For Mexico, Sydafrika, Indien og Indonesien har man fået lignende resultater fra markforsøg.
WORLDWIDE REDUCTION IN PESTICIDE USE FROM BIOTECH CROPS Estimations for the year 2000 Total estimated reduction: 22 million kg of formulated product BT: Bacillus thuringensis, insect-protected HT: herbicide-tolerant Source: Phipps. R.H., and Park, J.R. (2002). Environmental benefits of genetically modified crops: Global and European Perspectives on their ability to reduce pesticide use. Journal of Animal and Feed Sciences. Vol. 11(1) 1:18
POTENTIAL PESTICIDE REDUCTION IN THE EU Reductions assuming 50% biotech crops in the EU (for 2000) Total estimated reduction: 15 million kg formulated product (over 4 million kg ai) Conventional Biotech BT: Bacillus thuringensis, insect-protected HT: herbicide-tolerant Source: Phipps. R.H., and Park, J.R. 2002. Environmental benefits of genetically modified crops: Global and European Perspectives on their ability to reduce pesticide use. Journal of Animal and Feed Sciences. Vol. 11(1) 1:18
Såfremt 50% af EU s produktion af majs, raps, sukkerrroer og bomuld blev udskiftet med herbicid og insektresistente sorter, ville man opnå følgende årlige besparelser: 14.500 tons pesticider (4.400 tons aktiv komponent) Reduktion i sprøjtninger svarende til et sprøjteareal på 7.5 mill ha 20.5 mill liter diesel CO 2 udledning på 73.000 tons Phipps and Clark 2002. J. Anim Feed Sci. 11, 1-18 Ministry of Food, Agriculture and Fisheries Danish Intitute of Agricultural Sciences
GMO afgrøder under udvikling AFGRØDE Byg Hvede Majs Raps Kartofler Foder- og sukkerroer KARAKTERTRÆK Virus resistens, maltkvalitet Herbicidresistens, Fusarium og Septoria resistens, bagekvalitet, stivelses- og proteinsammensætning, udbytte Stivelses- og proteinsammensætning, Fusarium resistens, udbytte Oliesammensætning, dryssefasthed, svamperesistens, Svampe-, nematode- og virusresistens, stivelsessammensætning Nematode- og virusresistens, ændret sukkerindhold
Videre udvikling Det er ambitionen at videreudvikle denne platform gennem nationale og internationale samarbejder Genomanalyse in Biologischen System Pflanze Igangsat 63 projekter indenfor modelplanter, byg, majs, sukkerroer, raps, rug og popler med et samlet budget på 80 mill DM Fransk genominitiativ med et budget på 1.5 milliarder franc
A Danish Functional Genomics Research Initiative for Improving Feed Quality and Disease Resistance in Grasses and Cereals (DAFGRI) Et nyt dansk forskningsprogram finansieret af Direktoratet for FødevareErhverv Deltagere:, Forskningscenter Risø Budget: Kr. 20 mill. over fire år
DJF Risø Program (20 mill) Aftalebevilling via CO 2 midlerne FÆLLES TEKNOLOGI PLATFORM EST sekventering Databaser Bioinformatik Microarrays
Fosfatmetabolisme i hvede DJF Fytinsyre biosyntese i byg Risø Aminosyremetabolisme i byg, DJF Meldugresistens i byg Risø Blomstring i rajgræs Risø Fruktanmetabolisme i rajgræs, Risø, Fruktanmetabolisme i rajgræs, DJF DJF Risø Program (20 mill) Aftalebevilling via CO 2 midlerne FÆLLES TEKNOLOGI PLATFORM EST sekventering Databaser Bioinformatik Microarrays
Introduktionen af genetisk modificerede planter har skabt en global diskussion: Internationale handelsregler Segregering og mærkning Risiko for sundhed og miljø Rettigheder til plantegener, sorter og anvendelsesmuligheder
GMO problematikken har fremskyndet en udvikling, der allerede var på vej: Sporbarhed fra jord til bord Fødevarers kvalitet og betydning for menneskers sundhed Globale regler for handel med og godkendelse af nye fødevarer
DJF Risø Program (20 mill) Aftalebevilling via CO 2 midlerne FÆLLES TEKNOLOGI PLATFORM EST sekventering Databaser Bioinformatik Microarrays Fosfatmetabolisme i hvede DJF Fosfat Fytinsyre biosyntese i byg Risø Aminosyremetabolisme i byg, DJF Fremstilling af microarrays fra den udviklende byg- og hvedekerne Undersøgelser af de genetiske mekanismer bag fosfat deponering i kernen Identifikation af gener involveret i fytinsyresyntesen Meldugresistens i byg Risø Sekventering af udtrykte gener i forskellige væv i byg- og hvedekernen Blomstring i rajgræs Risø Fruktanmetabolisme i rajgræs, Risø, Fruktanmetabolisme i rajgræs, DJF
DJF Risø Program (20 mill) Aftalebevilling via CO 2 midlerne FÆLLES TEKNOLOGI PLATFORM EST sekventering Databaser Bioinformatik Microarrays Fosfatmetabolisme i hvede DJF Aminosyrer Fytinsyre biosyntese i byg Risø Aminosyremetabolisme i byg, DJF Fremstilling af microarrays fra den udviklende byg- og hvedekerne omfattende gener involveret i aminosyresyntese og nedbrydning Meldugresistens i byg Risø Undersøgelser af mutanter og gensplejset materiale, der viser en ændret aminosyre syntese Identifikation af gener involveret i regulering af aminosyresyresyntesen Blomstring i rajgræs Risø Fruktanmetabolisme i rajgræs, Risø, Fruktanmetabolisme i rajgræs, DJF
Fosfatmetabolisme i hvede DJF Fytinsyre biosyntese i byg Risø Aminosyremetabolisme i byg, DJF Meldugresistens i byg Risø Blomstring i rajgræs Risø Fruktanmetabolisme i rajgræs, Risø, Fruktanmetabolisme i rajgræs, DJF DJF Risø Program (20 mill) Aftalebevilling via CO 2 midlerne FÆLLES TEKNOLOGI PLATFORM EST sekventering Databaser Bioinformatik Microarrays Meldugresistens Sekventering af gener udtrykt i melduginficerede celler Undersøgelser af genaktiviteter induceret af meldug infektion
DJF Risø Program (20 mill) Aftalebevilling via CO 2 midlerne FÆLLES TEKNOLOGI PLATFORM EST sekventering Databaser Bioinformatik Microarrays Fosfatmetabolisme i hvede DJF Fytinsyre biosyntese i byg Risø Blomstringsgener i rajgræs Aminosyremetabolisme i byg, DJF Meldugresistens i byg Risø Storskalasekventering af gener udtrykt i blomsteranlæg Fremstilling af microarrays for analyse af genekspression under blomstring Identifikation og analyse af genvarianter, der påvirker blomstringen Blomstring i rajgræs Risø Fruktanmetabolisme i rajgræs, Risø, Fruktanmetabolisme i rajgræs, DJF
DJF Risø Program (20 mill) Aftalebevilling via CO 2 midlerne FÆLLES TEKNOLOGI PLATFORM EST sekventering Databaser Bioinformatik Microarrays Fosfatmetabolisme i hvede DJF Fytinsyre biosyntese i byg Risø Sukkermetabolisme i rajgræs Aminosyremetabolisme i byg, DJF Storskalasekventering af gener involveret i syntesen af letomsættelige kulhydrater (fruktaner) i rajgræsblade Meldugresistens i byg Risø Fremstilling af microarrays for analyse af genekspression i relation til ændret fruktan- og proteinmetabolisme Identifikation og analyse af genvarianter, der påvirker fruktan- og proteinmetabolismen Blomstring i rajgræs Risø Fruktanmetabolisme i rajgræs, Risø, Fruktanmetabolisme i rajgræs, DJF