Bioteknologi visioner og muligheder

Bioteknologi visioner og muligheder Forskningsprofessor Preben Bach Holm, Afdeling for Plantebiologi, Danmarks JordbrugsForskning Indledning Planteavlen står i dag over for en række store udfordringer. På vores eget lokale plan består udfordringen i at fastholde en rentabel planteproduktion under betingelser, der omfatter reducerede tilskud, stigende international konkurrence og restriktioner i anvendelse af gødning og pesticider og et reduceret dyrkningsareal for at sikre miljø- og naturinteresser. På det globale plan er problemet at sikre en hastigt voksende befolkning en tilstrækkelig og næringsrig kost. Indenfor de næste 20 år forudsiger prognoser, at der skal produceres 40% mere foderkorn på grund af et stigende kødforbrug i den vestlige verden og i de nye hastigt udviklende økonomier i Østasien (http://www.ifpri.org/pubs/fpr/fpr29.pdf). I år 2050 vil der være mellem 9 og 10 milliarder mennesker på jorden, og der skal i løbet af de næste 50 år produceres mindst lige så mange fødevarer som i hele den periode, der har været landbrug på jorden. I udviklingslandene er 70% af befolkningen bønder, der ofte lever på et eksistensminimum. Produktivitetsstigninger og en bedre indtjening for denne befolkningsgruppe er afgørende for at sikre disse landes udvikling. Løsningsforslagene er mange på såvel vort lokale som det globale plan. Et af dem er via planteforædling at fremavle en række nye plantesorter med bedre udbytte og sygdomsresistens, mere effektiv næringsstofudnyttelse, bedre kvalitet samt sorter med helt nye egenskaber og indholdsstoffer til industriel anvendelse. Plantebioteknologi Planteforædlingen får i disse år tilført en viden om planters genetik og funktionsmåde og en række nye værktøjer, der giver helt nye og langt mere omfattede muligheder for ændring af vore landbrugsplanters egenskaber end det vi hidtil har kendt. Disse ændringer omfatter planternes næringsstofoptagelse og udnyttelse, vækstform, livscyklus, klimatisk tilpasning, udbytte, indholdsstoffer og sygdomsresistens. En lang række teknologiske udviklinger ligger bag dette. Mange analyser er blevet automatiserede og robotter muliggør undersøgelser af et omfang, som tidligere var helt urealistisk. Man kender nu hele sekvensen af arvematerialet, genomet, i planten Gåsemad (Arabidopsis thaliana), en lille uanseelig urt, der for planteforskningen er blevet lige så vigtig som musen og bananfluen er det for den genetiske dyre- og menneskeforskning. Forskellige versioner af risgenomsekvensen er blevet tilgængelige og den mest omfattende og frit anvendelige version forventes i slutningen af året. Inden for ganske få år kan man forvente en komplet eller delvis sekvensering af en række af vore kulturplanter og træarters genom. I løbet af ganske få år vil der med andre ord være en omfattende genetisk information til rådighed, der vil kunne anvendes til forædling og karakterisering af så at sige alle nuværende danske landbrugsafgrøder samt de vigtigste kulturplanter i den 3. verden. 53

Til dette formål vil der i høj grad blive anvendt repræsentative modelplantesystemer, der er nemmere at håndtere eksperimentelt end de fleste af vore kulturplanter, der på grund af polyploidi og store genomer, lange generationstider og andre egenskaber er vanskelige at arbejde med. Arabidopsis er model for korsblomstrede arter som raps, roer og kål; lucerne og kællingetand for ærteblomstrede som kløver, ærter, lucerne, lupin; ris og majs for græsser som byg, hvede, majs, havre, rug, rajgræs og svingel og poppel er model for løvfældende træer. Denne udvikling er i høj grad baseret på udvikling af nye teknologier. En af disse er de såkaldte mikroarrays, hvor tusindvis af geners aktivitet i en bestemt celletype eller væv kan analyseres samtidig. Det må forventes, at microarrays for forskellige væv af en række af vore kulturplanter vil være kommercielt tilgængelige inden for de næste 2-3 år. Andre teknikker vil muliggøre lignende globale analyser af planters primære og sekundære indholdsstoffer. For metabolitters vedkommende betegnes teknologien som metabolomics. For proteinernes vedkommende betegnes teknologien som proteomics. Samlet betegnes disse aktiviteter som postgenomics. Den nye information samlet i meget omfattende databaser. Der er opstået en helt ny fagdisciplin, bioinformatik, der udvikler værktøjer for at kunne finde den relevante information. Der er udviklet gensplejsningsteknikker for alle vigtige kulturplanter, og i praksis er det muligt at overføre så at sige et hvilket som helst gen til en hvilken som helst planteart. Parallelt hermed er der udviklet en række andre værktøjer, de såkaldte DNA markører. Som beskrevet af Gunter Backes i den efterfølgende artikel er det ved hjælp af simple molekylære analyser muligt at tage et præcist genetisk fingeraftryk af en sort, man kan beskrive den genetiske variation, udvikle simple markører for agronomisk vigtige træk og lave en kortlægning af den genetiske basis for mere komplekse plantekarakter. Med disse og de ovennævnte værktøjer har genetikken udviklet sig fra at være en forskningsdisciplin, der var begrænset til vurdering af enkelte til ganske få geners funktion, til en holistisk videnskab hvor mange geners interaktioner og fælles funktion kan studeres. Den moderne planteforædler har med andre ord fået adgang til en omfattende viden og et stort antal værktøjer og har i teorien mange muligheder for design af et forædlingsprogram. I mange tilfælde vil man kunne nå det samme mål ved anvendelse af DNA markør baserede teknikker som med gensplejsning. I andre tilfælde kan man kun opnå den ønskede egenskab ved hjælp af gensplejsning. De økonomiske og miljømæssige konsekvenser af plantebioteknologien DNA markørteknologien implementeres hastigt i planteforædlingen, og der kan næppe herske tvivl om, at denne teknologi allerede nu har en betydelig økonomisk effekt. Det er også givet, at markørbaseret forædling for f. eks. sygdomsresistens har positive konsekvenser for sundhed og miljø. Det er imidlertid ikke muligt at give et præcist estimat af den teknologis omfang og dens økonomiske og miljømæssige betydning. Planteforædlere er ikke forpligtiget til at offentliggøre, hvordan de konventionelle sorter er udviklet og publicerer af konkurrencemæssige årsager så at sige ikke i den internationale litteratur. 54

Gensplejsede planter er underkastet en omfattende regulering og monitering og i modsætning til andre teknologier er det derfor muligt at få et estimat af, hvad de gensplejsede afgrøder har betydet for landmandens økonomi samt pesticidforbruget. Svend Pedersen giver i sin præsentation en oversigt over det dyrkningsmæssige omfang af disse afgrøder samt en oversigt over EU s lovgivning på området. På nuværende tidspunkt dyrkes der næsten udelukkende herbicidresistente sojabønner og raps samt herbicid og/eller insektresistent majs og bomuld. En lang række undersøgelser har vurderet de økonomiske og miljømæssige konsekvenser af disse afgrøder. Regnestykkerne er ikke nødvendigvis enkle. Det er imidlertid klart, at for sojabønner og majs er fordelene i den industrialiserede verdens landbrug som regel indirekte og skyldes ikke større udbytte sammenlignet med det konventionelle landbrugs udbytter. De indirekte fordele omfatter reduceret jordbehandling, færre udgifter til sprøjtemidler og færre sprøjtninger, hvilket fører til reducerede energi- og arbejdskraftudgifter. For de insektresistente afgrøder opnås der en permanent plantebeskyttelse og dermed et mindre behov for monitering. Reduceret eller ingen jordbehandling er særligt populært blandt de amerikanske sojabønnedyrkere. Herved reducerer man fordampning, fremmer mulddannelsen og reducerer den jordfygning, der i midten af forrige århundrede lagde store dele af det amerikanske landbrugsareal øde USA: De foreløbige opgørelser for 2002 viser, at arealerne med gensplejset majs, sojabønner og bomuld udgør henholdsvis 34%, 75% og 71% af de totale dyrkningsarealer for disse afgrøder. De økonomiske fordele for 2001 er blevet vurderet til $ 1 milliard for sojabønner, $133 mill. for bomuld og $58 mill. for majs. Pesticidforbruget for de tre afgrøder blev reduceret med 45.6 mill. pounds i 2001 (http://www.ncfap.org/40casestudies.htm). Tidligere undersøgelser har for sojabønner antydet et stigende herbicidforbrug målt efter mængde af aktiv komponent hvor Roundup har erstattet de hidtil anvendte herbicider. Dette herbicid er imidlertid væsentligt mindre giftigt og hurtigere nedbrydeligt end de konventionelle midler, hvilket skulle give en miljøgevinst. I rapporten Comparative Environmental Impact of Biotechnology-derived and Traditional Soybean, Corn and Cotton Crops udgivet af Council for Agricultural Science and Technology, Iowa, USA (http://www.cast-science.org/biotechnology/) konkluderes det således: A comprehensive review of the scientific literature supports the conclusion that overall the currently commercialized biotechnology-derived soybean, corn, and cotton crops yield environmental benefits. Furthermore, a critical analysis of the literature supports the idea that biotechnology-derived soybean, corn, and cotton pose no environmental concerns unique to or different from those historically associated with conventionally developed crop varieties. Canada: Herbicidresistente rapssorter gav et merudbytte på mindst 10% og var nemmere at dyrke end konventionelle sorter hvad angår såningstidspunkt, ukrudtsbekæmpelse, jordbehandling og sædskifter. De direkte og indirekte fordele gav en merindtjening for perioden 1997-2000 på $ 464 mill. Der var en energi- besparelse på 31.2 mill. liter dieselolie i 2002 grundet mindre markarbejde og færre sprøjtninger. Der er imidlertid ikke klarhed over 55

om det totale herbicidforbrug er blevet reduceret, men de anvendte midler var mere skånsomme end de konventionelle herbicider (Canola Council of Canada: An agronomic and economic assessment of transgenic canola, http://www.canolacouncil.org/production/gmo_toc.html). Udviklingslande: Der dyrkes insektresistent bomuld i Kina, Mexico og Sydafrika, og der er i år efter omfattende forsøgsudsætninger og vurderinger givet tilladelse til dyrkning i Indien og Indonesien. I flere regioner i disse lande var det ikke muligt længere at dyrke konventionel bomuld på grund af insektmiddelresistens hos skadedyrene. I Kina dyrkedes der i 1999 370.000 hektar med gensplejset bomuld. Ifølge de kinesiske rapporter (Huang et al. 2002, Science 295, 674-676) var det muligt at reducere forbruget af sprøjtemidler med mere end 80% (15.000 tons formuleret insekticid). Særlig de små landmænd fik en økonomisk fordel, og der var et markant fald i antallet af insekticid forgiftninger. For Mexico, Indien og Indonesien er konklusionen som for Kina, nemlig øget økonomisk gevinst og en meget væsentlig reduktion i anvendelse af sprøjtmidler (www.isaaa.org). EU: Phipps og Clark fra Readings Universitet i England har foretaget beregninger for EU området (J. An Feed Sci. 11, 1-18, 2002). Det forudsiges, at såfremt 50 % af den konventionelle majs, raps, bomuld og sukkerroer, som dyrkes indenfor EU s grænser, bliver skiftet ud med GMO-varianter kan man reducere pesticidforbruget med 14.5 mio. kilo (4.4 mill. kilo aktiv komponent). Reduktionen i sprøjtninger ville svare til et sprøjteareal på 7.5 mill. ha og føre til en besparelse på 20,5 mill. liter diesel og en reduceret CO 2 udledning på 73,000 tons. Fremtiden Et meget stort antal markforsøg er i gang med gensplejsede planter. Disse omfatter planter med forbedret sygdomsresistens, ændret sammensætning af indholdsstoffer som olie, stivelse og protein, forbedret udbytte og større tolerance overfor tørke og salt. En række plantesorter er udviklet, der syntetiserer en række komponenter af farmaceutisk og industriel interesse som antistoffer, vacciner og forskellige enzymer. Disse markforsøg illustrerer gensplejsningens potentiale, men det er uvist hvor mange af disse, der vil blive markedsført. Dette vil afhænge af omkostninger for markedsføring og risikovurdering, den offentlige mening, national og international lovgivning samt om disse produkter kan opnå en merværdi, der kan betale for udviklings- og registreringsomkostninger. For nærværende er der hos de multinationale selskaber tilsyneladende størst fokus på videreudvikling og forbedring af herbicid- og insektresistens. Forskningens fokus er til en vis grad flytter over til at opnå viden og rettigheder for alle de nye gener man identificerer. Eksempelvis viser det sig, at man kun kan forudsige funktionen for ca. 55% af Arabidopsis s 26.000 gener. De resterende 45% er totalt ukendte og kun ca. 1000 gener er nærmere studeret. Der foregår derfor en omfattende forskningsindsats i privat og offentlig regi i en række lande som USA, Canada, Australien, Japan og Kina med det 56

formål at identificere funktionen af alle disse hidtil ukendte gener og vurdere deres anvendelse i planteforædlingen. En række europæiske lande har allerede etableret eller er i gang med at etablere nationale forskningsprogrammer, der vil kunne give dem en central placering på det plantegenetiske og -bioteknologiske område i såvel international som EU sammenhæng. I 1999 etablerede Frankrig programmet Genoplante, et forsknings- og udviklingsprogram med et samlet budget i størrelsesordenen halvanden milliard franc med det formål at fremme såvel den basale genomforskning på modelplanter samt den anvendelsesorienterede forskning indenfor de vigtigste franske landbrugsafgrøder. I begyndelsen af år 2000 påbegyndtes det tyske GABI initiativ, et lignende fireårigt forskningsprogram med et budget på 150 mio. DM. I Danmark er der endnu ikke etableret et større nationalt plantebioteknologisk forskningsprogram, hvorimod der er store offentlige og private investeringer indenfor bioteknologi rettet mod svineforædling og fremstilling af farmaceutiske produkter og industrielle enzymer. Via en bevilling fra Direktoratet for FødevareErhverv på 20 mill. kr. til et samarbejde mellem Danmarks JordbrugsForskning og Forskningscenter Risø er det imidlertid lykkedes at skabe den første start på et plantebioteknologisk program betegnet Danish Functional Genomics Research Initiative for Improving Feed Quality and Disease Resistance in Grasses and Cereals (DAFGRI). 57