Bioteknologi bidrar til klimasmarte planter

Vi bli flere mennesker på planeten og det er behov for å dyrke mer mat på det samme arealet vi har i dag. Men skal vi få økte og gode avlinger bør plantene få optimale og stabile vekstmiljø. Altså det motsatte av hva klimaendringene ser ut til å føre til.

Tøffe vilkår for plantene

I tillegg til å produsere mer mat må fremtidens planter også bli mer robuste, slik at de tåler svingninger i klimaet. Til tross for endringer i temperatur, fuktighet og tilførsel av gjødsel, må plantene kunne produsere optimalt. Dessuten må de hanskes med nye utfordringer fra skadegjørere og plantesykdommer som vil komme med et endret klima.

Professor i plantevitenskap ved Norges miljø- og biovitenskaplige universitet (NMBU) Trine Hvoslef-Eide forteller at ved foredling av planter er det alltid en avveining mellom høye avlinger og robusthet.

─ Større robusthet kan være at planten kanskje må ha større rotmengde for å klare seg bedre i tørkeperioder, og bedre klare å utnytte plantenæringen den får tak i, sier Hvoslef-Eide.

Og utfordringene kommer til å stå i kø, for det er spådd at klimaet på våre breddegrader kommer til å bli varmere og våtere om høsten, noe som gjør at det kan dukke opp andre typer insekter, bakterier, sopp og virus. Det at vintrene kan bli litt av og på og at snøen kanskje forsvinner og det blir frost etterpå, påvirker også plantenes evne til å overleve.

To ting som kan bidra til økt matproduksjon

Den ene er å forbedre agronomien med presisjonslandbruket, som gjør at vi utnytter innsatsfaktorene bedre, som gjødsel, kalk og maskiner. Det andre er å forbedre sorter med planteforedling og presisjonsgenetikk. I forrige århundre stod forbedret agronomi og planteforedling hver for seg for halvparten av avlingsøkningene.

Hvoslef-Eide er opptatt av at det er like viktig å forbedre agronomien som å forbedre sortsmaterialet. Men klimatilpasningen av plantematerialet må skje raskere enn før, og bioteknologiske metoder bør kunne tas i bruk.

─ For å nå målene med økt matproduksjon kan vi ta i bruk bioteknologiske metoder som helgenomsekvensering, markørassistert seleksjon og genredigering ved bruk av CRISPR, sier Hvoslef-Eide.

I koronatid har vi lært oss er nytt begrep: genomsekvensering. Et genom er alt arvestoffet til en organisme. Helgenomsekvensering er å analysere alt arvestoff til en organisme, for å se hvilke gener som finnes.

Genredigering med CRISPR-teknologi er en presis og målrettet redigering og endringer i DNAet der man leter seg fram til riktig sted ved hjelp av en guide-RNA som gjenkjenner rekkefølgen av arvestoffet.

Genredigering kan være løsningen for å tilpasse plantene raskt nok

I over 100 år er det brukt mutasjonsforedling ved tradisjonell foredling ved at plantene enten har fått kjemiske stimuli eller ved bestråling for å fremprovosere flere mutasjoner enn vi normalt får. Dette brukes for å skape mer genetisk variasjon i plantene, slik at plantene blir genetisk forskjellige. Så velges de plantene som passer best til foredlingsmålet, og de kan med tiden bli en ny plantesort.

─ Ved tradisjonell foredling med kryssinger og mutasjonsforedling, blir det også med mange egenskaper som vi ikke er interessert i. Det vi da gjør, for eksempel i hveteforedling, er å tilbakekrysse ved selvpollinering slik at vi til slutt har den optimale sorten vi er ute etter, også med de nye egenskapene vi ønsker. Men dette tar mange år å få til. Det er også et problem at krysspollinerende arter, slik som gras, ikke tåler mye selvpollinering før de bryter sammen på grunn av innavl. Vi blir derfor ofte ikke kvitt alle uønskede egenskaper, forklarer Hvoslef-Eide.

─ CRISPR gir muligheten til å lage mutasjoner ved å gå presist inn og gjøre akkurat de endringene som vi tror vil være riktige, for så å teste dem ut. Da vil vi ikke få endringer i andre egenskaper som plantene må kvitte seg med senere eller forbedre for å få den optimale planten. Det vil være en veldig presis og kontrollert måte å lage mutasjoner på, og dessuten veldig tidsbesparende, sier Hvoslef-Eide.

Mutasjoner er naturlig

Mutasjoner er naturens måte å tilpasse seg endringer i omgivelsene, og de oppstår naturlig. I naturen vil det skje endringer i arvestoffet.

─ CRISPR-teknologien gir oss blant annet mulighet til å lage endringer i arvestoffet som kan være de samme som kan oppstå naturlig i plantens forsøk på å tilpasse seg, sier Hvoslef-Eide.

Og hun eksemplifiserer med et aktuelt tema.

 ─ Som vi vet fra koronapandemien så muterer viruset. Det gjør også plantesykdommer, og det er en evig kamp mellom foredlere og plantesykdommene. Og hvem som er i ledelsen veksler over tid.

Når det kommer en ny sort på markedet er planteforedlerne allerede i gang med neste generasjon sorter, som skal ta over når plantesykdommene har brutt ned de tidligere sortenes resistens.

Ved bruk av CRISPR er det mulig å beholde en plante med mange gode egenskaper og heller redigere uønskede egenskaper ved å endre genene, ved å fjerne, bytte ut eller legge til DNA.

Hvordan lage robuste planter

Hvordan planterøttene utvikles har betydning for hvordan de tar opp vann og næring og hvor robuste de er mot tørke.

─ Vinkelen på røttene bestemmes av ett gen og det kan endres på. Det er en av de tingene vi kan se på når vi foredler mer robuste planter, sier Hvoslef-Eide.

Også andre egenskaper står høyt på ønskelisten, som evnen til å konkurrere mot ugras, sykdommer, sopp, bakterier, virus og skadedyr.

Her er noen eksempler på klimasmarte planter endret med CRISPR:

Endringer med agronomisk verdi

• Hvete som har fått større kornvekst. Mer korn på samme areal
• Oljeraps som ikke drysser så lett. Kan høstes på riktig tidspunkt og gi større høstbar avling
• Agurker uten frø som forbrukere vil ha

Endringer for mat- og fôrkvalitet

• Soyabønner med forbedret oljekvalitet og sunnere olje
• Redusert gluteninnhold i hvete
• Redusert arsenikkinnhold i ris. Arsenikk finnes naturlig i berggrunnen og tas opp i planten

Endringer som bedrer motstandsdyktighet og stresstoleranse hos planter

• Resistens mot virussykdom (‘Citrus canker’) på grapefrukt og appelsiner
• Økt tørketoleranse og endret rotsystem hos mais og hvete
• Økt tørke og salttoleranse hos soyabønner
• Økt salttoleranse hos ris, som tåler å bli dyrket i saltholdig jord
• Resistens mot meldugg i ris, hvete og tomater
• Resistens mot gråskimmel i druer

Kan hente ut arvemateriale fra gamle kulturplanter

Selv om klimaet blir varmere, som det jo er i sydligere strøk, så er det ikke en løsning å hente sorter fra sydligere breddegrader, fordi de ikke er klimatisk tilpasset vår klimasone og daglengde. Vi må foredle våre egne sorter.

─ De nye klimautfordringene krever at vi har ny og variert genetisk variasjon tilgjengelig. Og heldigvis finnes det mange genbanker som har tatt vare på mange gamle kulturplanter. De kan hentes frem igjen og krysses inn ved tradisjonell foredling eller ved å hente ut enkeltgener og bruke til genredigering, sier Hvoslef-Eide.

CRISPR er mulig i alle celler og organismer 

Metoden gir uante muligheter innen mange områder og kan få stor betydning for human- og dyrehelse, landbruk, havbruk, industri og miljøvern.

Både dyr og planter kan gis egenskaper som bidrar til en mer robust og effektiv matproduksjon. Dyrevelferden og lønnsomheten i husdyrholdet kan for eksempel økes hvis genredigering kan redusere forekomsten av sykdommer.

Innen matproduksjon kan metoden i tillegg til å øke produktiviteten i planter også brukes til slikt som å fremstille nye plantevarianter til mat og fôr, øke holdbarheten i matprodukter og fjerne allergener i matvarer.

Utprøving av CRISPR i forskning på norske potetsorter

Potet er en viktig matplante hos oss. Den angripes ofte av tørråte. Til nå er 11 gener identifisert som svekker potetens evne til å motstå denne sykdommen. Disse genene som fører til økt mottakelighet for sykdommen, kan skrus av ved hjelp av genredigering. Dette er oppnådd ved hjelp av konvensjonell genmodifisering, men nå prøver forskerne på NMBU å gjøre dette med norske potetsorter som en del av forskningsprosjektet GENEInnovate.

Genredigering er en del av løsningen

─ Genredigering er selvfølgelig ikke alene svaret på fremtidens klimautfordringer i planteproduksjonen, men sammen med god agronomi og god planteforedling kan den bidra sterkt til å produsere mer mat med de ressursene vi har. Da blir det mindre behov for å øke dyrkingsarealet, og det blir mer areal igjen til å bevare biologisk mangfold, som vi jo er helt avhengig av for å fortsette vår eksistens på kloden, sier Hvoslef-Eide.