Modstandsdygtige biotek-kartofler

Modstandsdygtige biotek-kartofler Ved at flytte gener fra en afgrøde til en anden kan der forædles planter, der selv danner biologiske forsvarsmekanismer. Ud over at det kan øge udbytterne, specielt i fattige områder af verden, giver det også mulighed for et mindre forbrug af sprøjtemidler. Af Barbara Ann Halkier, Professor, Center for Dynamiske Molekylære Interaktioner (DynaMo), Institut for plante- og miljøvidenskab, Københavns Universitet Mens det er gået tilbage for kartoffeldyrkningen i Europa, er produktionsarealet med kartofler mere end fordoblet i Asien og Afrika i løbet af de seneste tre årtier (Tabel 1). Kina er nu verdens største kartoffelproducerende land med en produktion på 86 millioner ton og et dyrkningsareal på over fem millioner hektar i 2012. Kartofler er også blevet en vigtig hovedafgrøde i flere afrikanske lande, som ikke tidligere havde kartoffelproduktion af betydning. Fremgangen skyldes dels kartoflens gode ernæringsmæssige egenskaber, dels muligheden for at høste et meget stort udbytte pr. hektar. Kartoflen er så rig på stivelse, at den rangerer som verdens fjerde vigtigste afgrøde efter majs, hvede og ris. Derfor spiller kartoflen med dens evne til at levere nærende mad vigtig rolle i udviklingslandene. Den er ideel at dyrke steder, hvor jorden er begrænset og arbejdskraften er rigelig, hvilket netop er tilfældet i mange af verdens fattigste lande. Lave udbytter Forebyggelse eller bekæmpelse af skadevoldere er en vigtig forudsætning for udnyttelse af kartoflens store udbyttepotentiale, og generelt er kartoffelproduktionen Tabel 1: Antal hektar med kartofler i dele af verden 1970 1980 1990 2000 2010 2012 Europa 15.350.262 12.613.341 10 435 625 9.113.711 6.100.378 5.982.139 Danmark 37.058 33.634 39.578 38.724 38.500 39.500 Asien 3.183.834 3 894 791 4.812.007 7.973.942 9.188.633 9.753.113 Kina 2.002.408 2.302.964 2.829.384 4.725.366 5.207.564 5.431.700 Amerika 1.839.535 1 659 876 1.658.231 1.688.424 1.552.999 1.608.071 Afrika 345.783 548 318 342.663 1.213.976 1.811.904 1.932.192 Oceanien 53.685 44 946 48.971 54.348 49.458 45.683 Verden i alt 20.773.099 18 787 672 17.656.487 20.087.979 18.703.372 19.321.198 1 Januar 2014

afhængig af massiv anvendelse af pesticider for at sikre stabile udbytter. Det er ikke blot en trussel mod miljøet, men kan også skade landmændenes helbred, især i tredjeverdenslande hvor pesticiderne ofte ikke håndteres efter regulativerne. Mens Kina er berygtet for et stort forbrug af pesticider i landbrugsproduktionen er der andre lande, hvor muligheden for at bekæmpe sygdomme og skadedyr er meget beskedne, og generelt er høstudbyttet lavt i mange tredjeverdenslande. Eksempelvis er udbyttet pr. hektar faldende i et land som Nigeria, hvor der høstes under under 20 procent af udbyttet i Danmark. I Peru, hvor kartoflen har sin oprindelse, er udbyttet kun godt en tredjedel af udbytte i Danmark (Tabel 2). Ufred og mangel på gødning og vand er blandt årsagerne til lavt udbytte. Andre årsager er alvorlige plantesygdomme og skadedyr. Med udvikling af forbedrede metoder til begrænsning af kartoffelplantens primære skadevoldere kunne man opnå en betydelig udbyttestigning både i Syd- og Mellemamerika, hvor man har dyrket kartofler i årtusinder. Det samme gælder i Afrika og i Asien, hvor kartoffelproduktionen er i stærk fremgang. Tabel 2: Høstudbytte (Hg/Ha). Faostat. 1970 1990 2010 Europa 151.391 153.573 176.521 Danmark 286.850 374.583 352.675 Asien 109.016 133.392 173.103 Kina 107.489 113.209 156.684 Amerika 146.012 204.829 254.211 Peru 62.450 78.805 131.588 Afrika 87.582 107.753 141.581 Nigeria 141.581 70.130 70.130 Oceanien 197.853 294.398 294.398 Verden i alt 143.478 107.753 178.442 Beskyttelse via samdyrkning Kartoffeldyrkningen har sin oprindelse i Andesbjergene, hvor kartofler har spillet en vigtig rolle som primær ernæringskilde Figur 1. Kartofler dyrkes sammen med mashua (Tropaeolum tuberosum) på en mark i Peru. 2 Januar 2014

i flere tusinde år. Her dyrkes kartoflerne ofte sammen med andre afgrøder i traditionelt subsistenslandbrug (Figur 1). Kartoffel dyrkes for eksempel sammen med Tropaeolum tuberosum, en knoldbærende afgrøde, som lokalt er kendt som mashua. Mashua hører til korsblomstfamilien ligesom raps, sennep og kål, men er nærmere beslægtet med blomsterkarse (også kaldet tallerkensmækker), som dyrkes i mange danske haver. Naturstoffer beskytter planterne I de traditionelle dyrkningssystemer, som stadig anvendes i Andesbjergene giver kartoflerne et større udbytte, når de dyrkes sammen med mashua frem for i monokultur. Det skyldes, at mashua indeholder glucosinolater, en gruppe naturstoffer som er karakteristiske for planter fra korsblomstfamilien (Boks 1). Glucosinolaterne beskytter ikke kun mashuaplanten selv. De har også en beskyttende effekt mod sygdomsangreb på kartoffelplanten. En tilsvarende effekt ses i moderne landbrug, når glucosinolat-producerende planter (for eksempel raps) indgår i sædskiftet, og er med til at bryde de sygdomsfremkaldende mikroorganismers livscyklus. Genetisk samspil I 2002 blev jeg kontaktet af en peruviansk forsker, professor Eric Cosio fra Pontificia Universidad Católica del Peru i Lima. Han foreslog, at vi skulle samarbejde om at udnytte erfaringerne fra traditionel kartoffeldyrkning i Andesbjergene til at fremme bæredygtig kartoffelproduktion. Hans idé var at introducere glucosinolater fra mashua direkte i kartoffelplanten og dermed få gavn af den beskyttende effekt, uden at skulle dyrke den lidet attraktive mashua. Jeg blev straks fascineret af tanken om en praktisk anvendelse af vores grundforskning. Vi havde allerede identificeret flere af de gener, som medvirker til dannelsen af glucosinolater, men jeg var usikker på, om det ville være muligt at overføre hele biosyntesen fra en korsblomstret planteart til en art fra natskyggefamilien. I hvert fald ville det være noget af en udfordring. Overførsel af seks gener Overførsel af evnen til at danne et glucosinolat ville ikke blot kræve overførsel af seks gener, som hver især koder for et enzym i glucosinolatbiosyntesen, men også at disse enzymer skulle fungere sammen i det nye miljø. Med hjælp fra Danida blev de økonomiske forudsætninger for samarbejdet med Peru etableret, og i juli 2004 kom peruvianske Fernando Geu-Flores til Danmark og blev ansat som PhD-studerende på projektet. Glucosinolat-kartofler I stedet for at gå i kast med at overføre gener direkte fra mashua til kartoffel benyttede vi modelplanterne gåsemad (Arabidopsis thaliana) (Figur 3) og tobak (Nicotiana tabacum). Gåsemad tilhører korsblomstfamilien og danner benzylglucosinolat ligesom mashua, og tobak tilhører natskyggefamilien ligesom kartoffel. Efter fem års intensiv forskning viste vi, at det er muligt at producere benzylglucosinolat i tobaksplanter. Dermed viste vi som de første i verden, at det kan lade sig gøre at producere glucosinolater i en planteart, som ikke selv kan danne denne type naturstoffer. Figur 2. Knolde af mashua. Opdagelsesrejsende tog knolde af mashua med til Europa allerede i 1800-tallet, men trods dyrkningsmæssige fordele og et højt udbytte er mashua kun i beskedent omfang fundet dyrkningsværdig. Heller ikke i Andesbjergene er mashua særlig populær som fødevare. Knoldene smager skarpt som ræddiker, men den primære årsag til den manglende popularitet er formentlig, at de har ry for at nedsætte mænds kønsdrift. http://farm5.staticflickr.com/4041/4577043069_e9a099e14c_o.jpg 3 Januar 2014

Vores samarbejdspartnere på Det Internationale Kartoffelcenter i Lima arbejdede sideløbende med at sætte generne ind i kartoffel. Skræddersyede planter For at opnå en varigt bæredygtig produktion af afgrøder, der ligesom kartoffel angribes af mange forskelligartede skadevoldere, er der behov for et forsvarsværn mod mere end en angriber. Der er udviklet GM-kartofler med resistens mod virus, og GM-kartofler med skimmelresistens er meget tæt på markedsføring. Produktion af glucosinolater i kartoffelplantens top ventes at øge det generelle beskyttelsesniveau, og kan dermed forlænge holdbarheden af andre former for resistens. Det er svært at forudsige hvor mange år, der går, før vores genmodificerede kartoffelplanter kan komme ud på de virkelige marker, fordi der gælder så mange særlige regulativer, når der er tale om en genmodificeret plante. Blandt bekymringerne er risiko for at GM-planter krydser med beslægtede planter så GMO og ikke-gmo blandes Figur 3. Den lille ukrudtsplante gåsemad (Arabidopsis thaliana) er planteforskernes yndlingsmodelplante. Med sit lille genom var gåsemad den første planteart, hvis genom blev sekventeret. Gåsemad tilhører korsblomstfamilien, og mht. opklaringen af glucosinolatbiosyntesen har det været en stor fordel, at sekvensen for alle generne har været tilgængelig siden december 2001. Figur 4. Med hjælp fra Danida blev de økonomiske forudsætninger for samarbejdet med Peru etableret, og i juli 2004 kom peruvianske Fernando Geu-Flores til Danmark og blev ansat som PhD-studerende på projektet. 4 Januar 2014

Boks 1. Glucosinolater bioaktive naturstoffer Planter har gennem evolutionen udviklet en række forsvarsstoffer mod planteædere og sygdomme. Plantearter fra kålfamilien danner over 100 forskellige glucosinolater sennepsolier (glucosinolater), hvoraf mange smager skarpt. For eksempel er det glucosinolater, der gør peberrod og wasabi til potente smagsgivere. Nogle glucosinolater har sundhedsfremmende effekt enten direkte eller via nedbrydningsprodukter, der dannes i kroppen. Det gælder bl.a. glucoraphanin, som findes i høj koncentration i broccoli. Alle glucosinolater er ß-thioglucosid-Nhydroximinosulfater og dannes ud fra aminosyrer. Benzylglucosinolat, som findes i mashuaplanten, syntetiseres ud fra aminosyren phenylalanin. Ved hydrolyse, som katalyseres af en ß-thioglucosidase kaldet myrosinase, omdannes glucosinolater vha. Lossen-omlejringer til en lang række stoffer, dog oftest isothiocyanater og nitriler. Glucosinolater, eller snarere deres hydrolyseprodukter, er planteforsvarsstoffer og er med til at beskytte planterne mod både mikroorganismer og skadedyr. I landbruget indgår glucosinolatproducerende afgrøder, som f.eks. raps, i sædskiftet for at bryde sygdomsfremkaldende mikroorganismers livscyklus. Raps og andre Brassica-afgrøder dyrkes også som forafgrøde eller efterafgrøde, som pløjes ned i jorden. Her virker glucosinolaterne som biofumiganter, der bekæmper jordbårne patogener. For mennesket er glucosinolater kendt for deres kræftforebyggende egenskaber, f.eks. i broccoli, samt for deres skarpe smag i sennep og peberrod. Studier af glucosinolater er således relevante både i miljøog produktionsmæssige samt sundhedsmæssige og kulinariske sammenhænge. På Københavns Universitet er der stolte traditioner, når det handler om identifikation af biosynteseveje for bioaktive naturstoffer som glucosinolater og cyanogene glucosider i planter. Det har vist sig, at transportvejene er ligeså vigtige at få opklaret, så man kan få planterne til at udtrykke og lagre forsvarsstofferne i de væv, hvor de gør gavn i stedet for at transportere dem til de dele af planten, hvor stofferne er til gene for mennesker og/eller dyr. Biosyntesevejen for benzylglucosinolat. Boksen angiver nyligt identificerede mellemprodukter. R=benzyl. sammen. Det har vi taget hensyn til, for de GM-kartofler, som vi er med til at udvikle, er han-sterile. Det vil sige, at deres pollen ikke kan befrugte andre planter. Det vil sikre, at de ikke vil sprede de nytilførte gener til andre planter. Europæisk træghed I Europa har træghed i beslutningsprocesserne og generel modvilje mod GM-afgrøder i befolkningen bevirket, at GMafgrøder stort set ikke dyrkes. De vinder dog indpas på verdensplan. I 2012 dyrkede over 17 millioner landmænd fra 28 lande 170 millioner hektar med GM afgrøder. Hvis man sammenligner de genetiske ændringer hos en genmodificeret plante med en plante, der er blevet forædlet på klassisk vis - enten med kemikalier eller ultraviolet bestråling - så er der sket mange flere genetiske ændringer i den klassisk forædlede (eller rettere mutationsforædlede) plante i forhold til den genmodificerede. Men klassisk forædlede planter møder sjovt nok slet ingen modstand. Vi oplever at der blandt unge er stigende forståelse for, at GM-afgrøder kan blive vigtige elementer i et bæredygtigt landbrug, hvor godt landmandskab kombineres med de bedst egnede sorter. Endnu dyrkes fortrinsvis GMafgrøder, der er resistente overfor et ukrudtsmiddel eller visse insekter, men afgrøder med et bredere spektrum af nyttige egenskaber er på vej. Referencer og videre læsning Møldrup, ME, Geu Flores, F, de Vos, M, Olsen, CE, Sun, J, Jander, G & Halkier, BA 2012, of benzylglucosinolate in tobacco provides proof-of-concept for dead-end trap crops genetically modified to attract Plutella xylostella (diamondback moth) Plant Biotechnology Journal, vol 10, nr. 4, s. 435-442., Møldrup, ME, Geu Flores, F, de Vos, M, Olsen, CE, Sun, J, Jander, G & Halkier, BA 2012, of benzylglucosinolate in tobacco provides proof-of-concept for dead-end trap crops genetically modified to attract Plutella xylostella (diamondback moth) Plant Biotechnology Journal, vol 10, nr. 4, s. 435-442., Geu Flores, F, Olsen, CE & Halkier, BA 2009, Towards engineering glucosinolates into non-cruciferous plants Planta, vol 229, nr. 2, s. 261-270. Denne artikel er produceret med støtte af Undervisningsministeriets udlodningsmidler 5 Januar 2014