Menneskeskabte mutationer i planter

Hvis vi vil forstå og diskutere betydningen af forædling og genmodificerede afgrøder i jordbruget, og hvordan mennesker bruger metoderne strategisk, kan vi ikke undgå at starte med grundlæggende DNA-teori.

Udfordringen er, at emnet selv for højt specialiserede eksperter er abstrakt og svært at visualisere.

Men det er også fascinerende, vildt og overvældende at åbne for indblik i, hvordan kroppen, uanset om det er en plante, menneske eller dyr, som helhed konstant skaber og regenererer sig selv på et bagtæppe af tusindvis af celler med milliardlange kopirækker af basepar. Til at forklare teorien har vi fået hjælp af molekylær plantebiolog og lektor ved Københavns Institut for Plante- og Miljøvidenskab, Hussam Hassan Nour Eldin Auis.

Lad os starte fra begyndelsen.

Alle organismer på kloden er kropsligt opbygget af celler, hvis dannelse kodes af DNA – også kaldet genetisk arvemasse. Celler eller såkaldt makromolekyler har en DNA-streng inde i sig, og hvis man tog den og foldede den ud på et bord eller gulv, ville den være hele to meter lang.

Den ligner på nogle måder hulstrimler fra gamle computere. Disse strimler bestod af lange sekvenser af huller vs. ikke-huller (binære koder; 0’ere og 1’ere), som en computer kunne kode og omdanne til information.

DNA fungerer lidt på samme måde. Bortset fra at “strimlen” i stedet for huller består af fire typer af molekyler, kaldet baser. De hænger sammen i par i op til tre milliarder rækker.

Baserne kommer i de fire typer a, t, c og g. Vi kan forestille os, at baser er ligesom Lego-byggeklodser i fire forskellige farver som blå, gul, rød og grøn. For at blive i analogien, så vil én DNA-streng kode for en kompleks række af disse byggeklodser og fungere som en slags byggemanual.

Manualen kan aflæses af specialiserede enzymer i mennesker og planter, som bruger informationen til at bygge et protein.

Proteiner er små mikromaskiner bestående af 20 aminosyrer (organiske forbindelser), og det er dem, der giver cellerne deres funktion. For eksempel at vi mennesker er i stand til at nedbryde mad (sukker, salt, fedt og stivelse), bevæge os og bruge musklerne eller trække vejret. Eller at planter kan afsøge jorden for næringsstoffer og udføre den kemiske proces fotosyntese.

I Lego-universet betyder det, at DNA fungerer som den manual, der kan aflæses og bruges til at bygge en kran, båd eller et hus (proteiner) med byggeklodserne (basepar i sekvenser), som ligger på ræd og række og foldes op. Alt det her arbejde foregår inde i cellen, selvom det er svært at forestille sig.

Igen giver det for teoriens skyld mening at billedliggøre processen.

Hver celle er ligesom en ’fabrik,’ og membranen udgør fabrikkens fysiske vægge. Inde i cellen er maskiner, som kan udføre forskellige funktioner – hvilke afhænger af kontrolrummet eller styrekontoret, hvori DNA’et, dvs. opskriftsbogen samtlige manualer ligger på skrivebordet. Det er herfra, det bliver afgjort, hvilke produktionsopgaver, der bestilles af fabrikkens maskiner, dvs. hvilken manual der skal køres efter.  

Hver eneste celle er sin egen lille fabrik, men fabrikkerne specialiserer sig altså i forskellige produktioner. De bruger kun en udvalgt del af DNA’et for at kunne give cellen sin egen unikke funktion i organismen – hvad end det er at absorbere lys, vokse eller lave sukker til planten, hvis der er tale om planteceller.

Det er grundlæggende på den måde, at celler bestemmer en organismes forskellige fænotyper, dens synlige egenskaber. Processen, som vi lige har beskrevet, er den udvidede version af den velkendte sætning ”gener bestemmer et individs fænotype,” som man ofte hører i teoretiske diskussioner om eksempelvis menneskers blå øjne.

Vildt er det, at hver celle er en kopi af den oprindelige celle, som skabes ved befrugtning – uanset om vi taler samleje ved mennesker, bestøvning ved planter eller parring ved dyr. For at forstå, hvad der sker ved krydsning, må vi introducere den sidste begrebsmetafor for nu. Nemlig kromosomer.

Kromosomer kan forstå som de leksikoner, som den samlede DNA inddeles i. Forestil dig, at strengene er så mættede med information, at man er nødt til at inddele dem i forskellige bind (A-Z). Disse bind er groft sagt, hvad kromosomerne er.

Ved parring af to individer får den nye organisme en kopi af det samme leksikonbind, altså et kromosompar, fra begge forældre. De indeholder de samme opskrifter på proteiner, men også små forskelle i manualerne. Det miks skaber en ny DNA-kombination i stamcellen, som kopierer sig selv og bliver til et nyt levende væsen.

Mennesker har 23 kromosompar, altså 46 kromosomer i alt. I hvert par kommer det ene kromosom fra moren og det andet fra faren. Planter kan have meget forskellige antal kromosomer og gener, og nogle plantearter har større genomer end mennesker. Det betyder dog ikke nødvendigvis, at de er “mere komplekse”, men at arvemassen er organiseret anderledes.

Menneskers arvemasse koder for 20.000 – 25.000 gener. Interessant er det, at mens vi ofte ser os selv som biologisk overlegne, så har planter (selv helt almindelige stueplanter) helt op mod 100.000 gener og dermed en langt mere kompleks arvemasse, det vil sige fabrikker og Lego-bygningsmuligheder.

Og det er lige præcis dem, vi mennesker i godt 70 år har arbejdet med at manipulere eller ændre på for at give planter nogle bedre dyrkningsegenskaber. Hvordan? Via strategiske mutationer, hvor man eksempelvis kan pille ved, hvilke proteiner eller enzymer, cellerne producerer. Og dermed hvilke karaktertræk planten udvikler.

Mutationer sker ved forandringer i DNA-strengene, således at ’manualerne’ eller ’opskriftsbøgerne’ laves en anelse om. For eksempel ved at bytte om på siderne, udskifte ord eller måske helt fjerne en paragraf eller to. Det svarer til at klippe hulstrimlen op og lime den sammen på nye måder. Indgrebet kan give både synlige og ikke synlige forandringer.  

En hyppig kilde til ændringer i DNA’et kan være UV-lys.

Det har nemlig en bølgelængde, som kan passere igennem huden på organisk materiale og interagere med DNA i celler på både planter og mennesker, hvilket giver en forhøjet risiko for sekvensændringer. Ligesom mennesker kan bruge solcreme, så kan planter faktisk producere en UV-reflekterende substans og putte på bladene for at beskytte sig.

Som nævnt skal op til tre milliarder basepar kopieres, hver gang en celle deler sig. Det er en ubegribeligt præcis men ikke ufejlbarlig proces. Risikoen for kopieringsfejl øges med alderen og også, når organismer udsættes for kemisk påvirkning. Alt dette er foruden parring og forplantning, som vi indledte kapitlet med at snakke om.

Selvom mange mutationer er neutrale eller skadelige, er de afgørende for livet på jorden. Det er netop mutationer, der skaber den genetiske variation, som både naturen og planteforædlere arbejder med. Uden mutationer ville der ikke være grundlag for at udvikle nye egenskaber – hverken gennem evolution eller i landbrugets forædling af afgrøder.

Et eksempel på en gavnlig mutation for menneskers vedkommende kunne være laktosetolerance, mens en skadelig kan være kræft.
I sidstnævnte laver celler en DNA-fejl ved kopiering og i stedet for at begå selvmord, bliver de ved at dele og sprede sig.

Alle organismer vil naturligt forsøge at beskytte sig selv mod pludselige genetiske forandringer. Celler har mekanismer, der kan opdage og reparere skader i DNA’et. Hvis skaden er for stor, kan cellen i nogle tilfælde stoppe med at dele sig eller gå til grunde. Det er en del af organismens naturlige forsvar mod skadelige mutationer. Moderne genredigering udnytter netop cellens egne reparationssystemer. Først klippes DNA’et et bestemt sted, og derefter reparerer cellen bruddet, nogle gange med en lille ændring som resultat.

Vi nævner det her, fordi cellers reparation og naturlige forsvar mod mutationer er relevant for at forstå, hvordan nogle af de moderne genmodificeringsteknikker virker.

I dag dyrker vi mange afgrøder, som ser meget anderledes ud end deres vilde slægtninge. Moderne hvede, ris og majs er for eksempel ofte lavere, mere ensartede og bedre tilpasset maskinel dyrkning end tidligere sorter.

I 1900-tallet skete der et stort skifte i planteforædlingen. Mange kornsorter blev forædlet til at være kortere og mere stabile, så de ikke så let lagde sig ned i vinden eller ved høj gødskning. Det var en vigtig del af Den Grønne Revolution, fordi kortere planter havde mindre risiko for lejesæd og bedre kunne omsætte næring til kerner frem for lange strå. Nogle kalder resultatet for “dværgplantearter”.

I hvede og ris hænger flere af de kortstråede egenskaber sammen med gener, der påvirker plantens væksthormon gibberellin. Det betyder dog ikke, at sorterne var genmodificerede i moderne forstand. De blev primært udviklet gennem klassisk forædling og udvælgelse, hvor forædlere krydsede planter og valgte de afkom, der havde de ønskede egenskaber.

Der findes også mutationsforædling, hvor man bevidst fremkalder genetisk variation ved hjælp af for eksempel stråling eller kemiske stoffer og derefter udvælger de planter, der får brugbare egenskaber. Det er en anden metode end både almindelig krydsning og moderne GMO.

Alt i alt har kortstråede kornsorter haft stor økonomisk og ernæringsmæssig betydning, fordi de har gjort det muligt at dyrke mere stabile afgrøder med højere udbytte.

Derfor blev der avlet på de nye udgaver, mens de vilde forfædre langsomt blev faset ud af landskabet som dominerende arter. Historien er et eksempel på genmodificering og efterfølgende forædling, hvilket nogle forskere vil argumentere for, er én og samme ting.

Begge er nemlig metoder til at ændre i planters gener.

Før genteknologien gjorde sit indtog, ændrede landmænd og forædlere primært planters egenskaber gennem klassisk forædling. Princippet er enkelt. Man krydser planter med forskellige fordele og udvælger de ’bedste’ afkom. Når to planter bestøves, blandes deres gener, hvilket skaber nye kombinationer og lejlighedsvise mutationer i næste generation.

Krydsning foregår typisk ved, at pollen fra én plante overføres til blomsten på en anden plante, så de to planters gener kombineres.

Efter en krydsning observeres planterne nøje. Forædleren leder efter de individer, der vokser hurtigst, giver det største udbytte eller bedst modstår tørke og sygdom. De mest lovende planter udvælges til næste runde, og processen gentages over mange generationer, indtil man står med en stabil sort.

For at opnå en stabil sort skal planterne ofte selvbestøves eller krydses med beslægtede planter flere gange, så de ønskede egenskaber bliver faste og ensartede. Først når egenskaberne er stabile fra generation til generation, kan sorten bruges i landbruget.

Målet er sjældent kun én egenskab, men en balance mellem mange. For korn kan det være en kombination af højt udbytte, god bagekvalitet og stive strå, der modvirker lejesæd. I andre afgrøder vægtes smag, holdbarhed eller robusthed.

Et ofte anvendt eksempel på en udnyttet mutation er blomkål.

Den hvide hovedstruktur skyldes en mutation i genet CAL (ofte i samspil med genet AP1), som forhindrer planten i at udvikle plantens væv (meristem) ved celledeling uden at udvikle færdige blomster. Det, vi spiser som blomkål, er altså mange misdannede blomsteranlæg, der i deres udvikling er gået i stå og formet en tæt masse, hvilket for planten vil have været en genetisk fejl i forhold til overlevelse, men for os mennesker har den skabt en unik og værdifuld grøntsag. 

Et andet eksempel er guleroden. Den oprindelige vilde gulerod er tynd, forgrenet og hvidlig, men gennem mutationer og udvælgelse har mennesker fremavlet den tykke, saftige og orange rod, vi kender i dag. Farven skyldes et højt indhold af farvestoffet betakaroten, som er blevet selekteret gennem forædling.

Klassisk forædling er en langsommelig proces, der kan tage årtier, men det er denne kombination af naturlig variation og målrettet udvælgelse, der har formet næsten alle de afgrøder, vi kender i dag. Det gælder i øvrigt også frugter, hvor vi mennesker har avlet på dem, der eksempelvis smagte sødest eller surest.

På nogle måder kan man næsten kalde det “survival of the nicest,” set med menneskelige briller.

Mutagenese er hovedformålet i genmodificering, som er meget oppe i tiden. En af årsagerne er, at mens planteforædling i mange år har haft fokus på højt udbytte, står vi i dag og mangler sorter, der er resistente og mere klimavenlige. Sorter, der kan vokse flere år i træk og er bedre til at udnytte næring og vand.

De etårige dværgafgrøder er ikke så robuste over for tørke, sygdomme og skiftende vejrforhold. Faktisk er menneskelig forædling en del af forklaringen. Moderne forædling har ofte haft stort fokus på udbytte, kvalitet og ensartethed. I dag er der stigende interesse for egenskaber som dybere rødder, bedre næringsstofudnyttelse, tørketolerance og flerårighed.

Ironisk nok betyder det, at forskere i dag forsøger at bringe gener tilbage fra de vilde slægtninge, der har overlevet i tusindvis af år uden hjælp, men som ikke bruges til dyrkning. Man vil hente egenskaber inden for modstandsdygtighed tilbage i dyrkede sorter ved at bruge genmodificeringsteknikker.

Målet er at skabe “superplanter”, som er højtydende, men samtidig ikke kræver enorme inputs af kemikalier og gødning. Planter, der kan klare sig selv uden ligeså meget menneskelig pasning, forsvare sig mere effektivt og eksistere under pressede klimaforhold.

Planen er at give flerårige og vilde afgrøder nogle af de gode dyrkningsegenskaber fra etårige dværgafgrøder. Førstnævnte er bedre for jordsundheden, da det forstyrrer meget at skulle pløje eller harve, så og slå ned hvert år. For ikke at tale om at købe nye frø fra producenter, som skal vokse op på rekordfart og klare sig i konkurrence med vildt ukrudt og skadedyr. Teoretisk kunne jordbruget gå i gang med at selektere og forædle flerårige planter på genetiske opskriftskrav som større og mindre dryssende korn, begrænset højde og tættere akser.

Derfor forsøger forskere at accelerere udviklingen med rekordfart via nye teknologier. 

I videoen ovenfor møder i ph d.-studerende og ekspert i molekylær plantebiologi Margrethe Kristine Dam Falkenberg, som netop bruger genmodificering i laboratoriet til at ’redigere’ på flerårig byg. Hun forsøger med metoden CRISPR-CAS at ændre i sammensætningen af basepar i plantens DNA-sekvens (opskriftsbog) for at fremavle 10 forskellige egenskaber.

Èn af dem er netop, at bygplanten skal holde bedre på sine frø, som den ellers har smidt og spredt strategisk for at sikre overlevelse. Arbejdet foregår ved at skabe mutationer i cellens fosterstadie, også kaldet embryon.

Margrethe Kristine Dam Falkenberg er bare én ud af mange forskere i Danmark og Europa, der eksperimenterer på vilde arter for at skabe nogle gamle/nye alternativer til landbruget og gartnerisektoren.

Det er i spændingsfeltet mellem naturens robusthed og moderne landbrugs krav, at Margrethe Kristine Dam Falkenberg arbejder med fokus på at bringe egenskaber fra vilde planter ind i dyrkede sorter og styrke afgrøders modstandsdygtighed.

Hvor klassisk forædling baserer sig på tilfældige krydsninger, arbejder moderne genteknologi målrettet med plantens DNA. Metoderne varierer i præcision, og hvor det nye genetiske materiale stammer fra. De tre mest centrale teknologier er: Gensplejsning, cisgenetik og CRISPR-Cas.

Fælles for teknologierne er, at de arbejder på basepar-niveau. Altså helt nede i den genetiske manual.

I stedet for at blande hele genomer gennem krydsning, kan forskere med genteknologi ændre, indsætte eller slukke specifikke gener. Arbejdet foregår typisk i enkelte celler eller plantevæv, som efterfølgende dyrkes videre til en hel plante med de ønskede egenskaber.

Ved gensplejsning (kaldet transgen teknologi) indsætter man gener fra en helt fremmed organisme i plantens DNA. For eksempel fra en bakterie eller en anden planteart. Formålet er at tilføre en egenskab, som arten ikke besidder naturligt. Et udbredt eksempel er Bt-majs, der har fået indsat et gen fra jordbakterien Bacillus thuringiensis.

Det gør planten i stand til selv at producere et protein, der virker som et naturligt insektmiddel mod specifikke skadedyr. Teknologien blev udviklet i slutningen af det 20. århundrede og har været meget diskuteret. Kritikken handler blandt andet om brugen af gener fra andre arter, usikkerhed om langsigtede miljøeffekter og bekymringer om kontrol over fødevareproduktionen

Cisgenetik minder om gensplejsning, men her flyttes gener kun mellem planter, der potentielt kunne krydses naturligt. Det vil sige samme art eller nære slægtninge. Et eksempel er overførsel af resistensgener fra vilde kartofler til dyrkede sorter for at gøre dem modstandsdygtige over for kartoffelskimmel. Et andet er æblesorter, hvor gener fra vilde æblearter er blevet brugt til at beskytte mod sygdomme som skurv.

Den nyeste bølge af teknologi, herunder CRISPR-Cas9, handler ofte om at redigere i plantens eget DNA frem for at indsætte fremmed materiale. Forskerne kan slukke for uønskede gener eller fintune eksisterende funktioner.

CRISPR-Cas kan beskrives som en slags “genetisk saks”, der gør det muligt præcist at ændre i plantens eget DNA  hurtigt, målrettet og uden nødvendigvis at indsætte fremmede gener.

Inden for syntetisk biologi tager man skridtet videre og designer helt nye genetiske kredsløb eller funktioner, der ikke findes i naturen. Her kan planter for eksempel udvikles til at producere medicinske stoffer, binde mere CO₂ eller indgå i produktion af biobrændsel. Teknologien er stadig under udvikling og primært på forskningsstadiet, men den har potentiale til fremtidig anvendelse i landbrug og industri.

Selvom teknologierne deler det biologiske fundament, adskiller de sig markant i deres kompleksitet og oprindelse. Dette afspejles i lovgivningen, hvor grænsen mellem redigering, der minder om naturlige mutationer, og indsættelse af fremmed DNA, er centrum for stor politisk debat.

Samlet set spænder planteforædling i dag fra klassisk udvælgelse over mange generationer til præcis redigering af DNA på basepar-niveau. Fælles for tilgangene er, at de bygger på den samme grundlæggende mekanisme for genetisk variation. Og menneskets evne til at udvælge og forme den i retning af ønskede egenskaber i landbruget.

En proces og debat du helt sikkert vil støde på i dit kommende arbejde som jordfaglig.