I et laboratorium på Frederiksberg muterer fremtidens vilde afgrøder – måske

For 10.000 år siden begyndte mennesket  at udvælge frø fra planter, der voksede hurtigt og smagte godt. Det var tilfældigvis enårige afgrøder – af den årsag blev det moderne landbrug gennem generationer bygget op omkring dyrkning af hvede, majs, kartofler og byg, som dør efter høst og skal sås igen og igen hver sæson. 

Problemet med disse afgrøder er, at de kræver mange ressourcer, fordi de skal sås, passes, sprøjtes  hvilket slider på jordens kvalitet og det mikroliv, der har hjemme i den. En proces der hver gang kræver brug af maskiner, teknologi og kemikalier.

I dag står forskere og videnskaben på den ene side og landbrug og gartneri på den anden med én fælles udfordring: Hvordan kan vi genindføre vilde og stærke planter, der kommer igen år efter år for at minimere påvirkning på miljø og produktionsjord?

Her kommer ph.d.-studerende Margrethe Falkenberg ind i billedet. Hun arbejder i drivhuset og laboratoriet på Københavns Universitets campus for Plantevidenskab med at manipulere flerårig hvedegræs og byg.

Helt specifikt går Margrethe sammen med sine kollegaer ind og ændrer planternes DNA for at bringe arterne ‘i business’ med egenskaber, der er optimerede i forhold til både natur og menneskers behov.

Hvedegræs er en art nært beslægtet med almindelig hvede, men planten er mere vild, grøn og stor. Fordi den vokser flere år i streg og kræver mindre menneskelig bearbejdning (særligt pløjning og gødning), vil den kunne sænke landbrugets udledning af CO2 markant.

Den vilde hvedetype er generelt mere robust over for plantesygdomme og klimaudsving.

Planten kan klare sig i perioder med både ekstrem tørke eller kraftigt regnfald – hvilket de nordiske og europæiske lande formentligt vil opleve mere af, i takt med at den globale opvarmning af atmosfæren fører til stadigt mere ustadige vejrforhold.

Hvedegræs er en vild afgrøde, som kan dyrkes under Nordens nuværende klimatiske forhold. Modsat almindelig hvede kan hvedegræs overleve helt uden menneskelig hjælp. Foto: Didier Larsen

Allerede nu ser vi, at en landmands udbytte falder mellem tre og otte procent, hvis landet oplever en uge med tørke, påpeger Margrethe. Så i hendes øjne er introduktionen af hvedegræs i landbruget et must for at sikre fremtidens grønne fødevareforsyning.

Det samme gælder flerårig byg. Fordi planterne vokser af sig selv hver sæson og ikke skal pløjes, hjælper byggen med at genopbygge jorden, så den forbedres over tid til et mere frugtbart og mindre udpint stadie. De længere rødder er også bedre til at optage næringsstoffer som eksempelvis nitrat, så det ikke udvaskes til grundvandet. 

Desværre er der et par store genetiske MEN’er, som stikker en stor kæp i hjulet for ethvert potentielt forretningseventyr med flerårig hvede og byg. 

Det største er, at frøene er meget små, og de smides ved modning. Høstudbyttet ved afgrøderne er derfor forholdsvist ringe. Planterne er også for høje, så selvom deres rødder er stærke under jorden, er stråene ‘svage’ og udsatte i luften.

Kunsten for forskerne er at introducere såkaldte domesticerede (mennesketilpassede) træk i planternes egenskaber, hvilket de vilde arter ikke har fra naturens side. Og hvis man vil ændre en organismes fænotype (synlige egenskaber som farve, højde og kerner), er man nødt til at ændre i selve arvemassen (DNA’et).

Man skal ind og manipulere med de koder, der bestemmer cellernes udvikling og funktion. Og der er kun én måde at gøre det på – nemlig mutation. Det er grundlaget for genetisk diversitet, og kan forklares som en lillebitte ridse i vores DNA, fortæller Margrethe.

Forædling har været den traditionelle måde at lave mutationer i planternes arvemasse. Det fungerer i praksis ved, at man krydser (parrer) to planter. Landmanden kan så krydse fingre og håbe på, at afgrødernes ‘børn’ (læs: afkom) udvikler nogle ønskværdige dyrkningsegenskaber.

Men den proces tager årtier og går alt for langsomt, fastslår plante-forskeren.

Derfor arbejder forskerne på Københavns Institut for Plantevidenskab (og universiteter over hele kloden) i stedet med genmodificering, hvor forskere bruger kemikalier og radioaktivitet til at skade for eksempel hvedegræs og byg for at fremprovokere og teste en masse mutationer i turbofart. 

Margrethe Falkenberg og kollegaer har under ledelse af professor Michael Broberg Palmgren på Københavns Universitet over de næste par år fået til opgave at ændre på i alt 10 gener for at ‘forberede’ de flerårige afgrøders comeback i landbruget. De har fået en bevilling på 60 millioner kroner fra Novo Nordisk Fonden.

Hun bruger en populær genteknologi kaldet CRISPR til at skabe den ‘kunstige’ mutagenese. Og nu kan det ikke undgå at blive relativt nørdet og teknisk. Mens forsøgshveden- og byggen vokser i drivhus og udendørs, så foregår størstedelen af plantedyrkningen nemlig i laboratoriet på universitet.

På sit kontor har Margrethe adgang til en computer indeholdende en kæmpestor database med information om bygplantens arvemasse – den genetiske kode for flerårig byg. Hun henter koder målrettet det sted i plantens arvemateriale, hvor det eksempelvis bestemmes, at dens kornfrø skal drysse ned på jorden ved modning.

Det er nemlig den egenskab, hun skal sætte ud af spillet. Genkoden anvendes til at guide et enzym kaldet Cas-9, der ligesom en saks kan gå ind og klippe en plantes DNA. På den måde kan Margrethe strategisk gå ind og fortælle sin “saks”, hvor på bygplantens arvemasse, der skal “klippe”.

Metoden kaldes CRISPR-Cas.

Arbejdet foregår først i små petriskåle. Margrethe starter med enkelte celler taget fra et umodnet frø og dyrker dem op til udifferentieret celler kaldet kallus. Hun blander Cas9 og gen-koden med lidt guldstøv, som det klistrer sig fast til, og skyder begge ind i plantecellerne. Det foregår i et trykkammer i laboratoriet. 

Saksen guider nu gen-enzymet hen til det sted i arvemassen, hvor det skal klippe og skabe en mutation. Allerede få minutter efter vil plantecellerne opdage ‘fejlen’ i DNA’et og igangsætte en reparationsmekanisme. 

Det er her, at der kan opstå ændringer – når en af reparationerne fejler og skaber et nyt gen-resultat. Det samme sker i naturen, hvis planter for eksempel udsættes for radioaktiv UV-stråling eller andre miljøpåvirkninger. 
Men tilbage til laboratoriet – hvordan spotter Margrethe, når det sker? Jo, det guldstøv, hun skyder ind, er også dækket af en markør, der farver cellerne røde. Det er det samme farvestof som giver rødbeder deres farve. Margrethe ved således, at ‘der er bid, når blandingen får farve.

Dagen efter putter Margrethe den muterede vævskultur på et plantehormons-medie, og nu begynder bygplanten langsomt at vokse med rødder, stængel og blade. Det spændende er så at holde øje med, hvordan den muterer. Bliver frøene siddende? Er de større?

I øjeblikket er det hele ‘proof of concept’ – dvs. en test af, om metoden rent faktisk kan fungere til at mutere fremtidens flerårige hvede og byg, så de bliver egnet til landbrugsproduktion. Får forskeren en plante med et ønsket resultat, skal de først sekventere (kortlægge rækkefølgen af DNA) for at undersøge, om mutation er fundet sted i det ønskede gen.

Som reglerne er nu, vil alle planter lavet med CRISPR-Cas være klassificeret som GMO i EU. De må derfor slet ikke bruges i fødevareproduktionen men kun til forskning i kontrollerede væksthuse. Men der ligger et politisk forslag målrettet nyere genteknologier, der ville tillade dyrkning af planter med visse mutationer. 

Men hver dag arbejder hun ihærdigt videre på Frederiksberg med et stort drive omkring de byg og hvedeplanter, der måske kan være et svar på fremtidens kornforsyning.