15. januar 2019

2. Sådan kan klimavenlige planter udvikles ved hjælp af CRISPR-Cas9

Hvordan udvikle nye afgrøder, der lever op til de mange krav, der blev omtalt i det foregående afsnit: Afgrøder der på den ene side kan bidrage til at løse vigtige samfundsproblemer som klimaforandringerne; på den anden side kan gøre det på en måde, der ikke frembringer eller forstærker sundheds- og miljørisici i fødevareproduktionen – og meget gerne tvært imod? Og som derudover skal være kommercielt interessante, dvs. de skal kunne konkurrere på pris og kvalitet.

2.1 Forædling som løsning på klimaudfordringen

De sorter, der i dag er til rådighed, er som nævnt på flere måder utilstrækkelige set i lyset af en række aktuelle udfordringer. I en verden med et forandret klima, pres på natur og miljø og voksende befolkningstal, er der behov for, at planteproduktionen er bedre klimatilpasset - fx bedre kan klare perioder med tørke eller andre former for mere ekstremt klima - og klimabeskyttende, fx ved at binde mere kulstof i jorden. Desuden er der brug for, at de er meget højtydende, så der kan produceres mere på mindre areal, og landbrugsarealer kan tilplantes med skov, som kan optage CO2.

Både konventionel og økologisk produktion er et godt stykke fra at leve op til disse krav. Konventionel produktion er højtydende men miljøbelastende; økologisk produktion er ofte mere skånsomt over for miljøet, men yder et mindre udbytte per hektar eller per dyr og kræver derfor mere areal, der kunne være brugt til fx skov. Begge kan vise sig at opleve en betydelig udbyttenedgang, hvis der ikke udvikles sorter, der er mere klimarobuste.

Mange af de egenskaber, der efterspørges, kan dog frembringes eller findes allerede, nemlig i de oprindelige vilde slægtninge, som de kommercielle varianter engang blev udviklet fra. Eller i vilde plantearter, der hidtil slet ikke er blevet udviklet til moderne fødevareproduktion. Det har givet forskerne den idé, at man, frem for at avle videre på de nuværende afgrøder, tager udgangspunkt i disse vilde arter – at man domesticerer eller re-domesticerer dem. Det kaldes forædling når man udvikler planter, så de bliver mere værdifulde.

I det følgende vil du få en forståelse af, hvordan man kan bruge gen-editeringsværktøjet CRISPR-Cas9 til at forædle planter med håbet om, at de kan løse klimaudfordringerne bedre end nutidens afgrøder. Du vil få indblik i de fordele, genediterede afgrøder kan have i forhold til nutidens afgrøder eller til afgrøder, der kan frembringes vha. alternative forædlingsteknologier. Og til sidst vil du blive introduceret for de særlige risici, metoden kan tænkes at medføre

2.2 To eksempler på fremtidens klima- og miljøvenlige afgrøder

Først skal vi se på to konkrete eksempler på, at man vha. forædling håber at kunne forædle afgrøder, så de både er klimavenlige og begrænser miljøbelastning. Herefter dykker vi ned i teknologien CRISPR-Cas9, der kan speede forædlingen op. Som vi hørte i det foregående afsnit, er tid en knap ressource i kampen imod klimaforandringer.

2.2.1 Udvikling af robust tomat (redomesticering)

Når du i dag står i supermarkedet og vælger en tomat, kan du vælge mellem mange forskellige former, smage, farver og størrelser. De er dog alle temmelig forskellige fra den oprindelige tomat, de kommer fra, der vokser i Sydamerika – en lang ranglet plante med tomater på størrelse med ribs. Man kan nogle gange købe dem som netop ”ribstomater” (Solanum pimpinellifolium). Det er denne tomat, man gennem mange års forædlingsarbejde har udviklet til alle de varianter, du kan købe.

Større robusthed er nøglen
Ribstomat har dog nogle smagsnuancer og en robusthed over for fx tørke og skadelige organismer, de moderne tomater (Solanum lycopersicum) har tabt undervejs i forædlingsarbejdet. Formentlig fordi man primært har fokuseret på at fremavle tomater med hyldeholdbarhed, højt udbytte, størrelse, form, evnen til at modne hele klasen samtidig, osv.

Sådanne egenskaber er vigtige i moderne planteavl, hvor prisen spiller en meget vigtig rolle. Man har til gengæld kunnet leve med, at højt forædlede afgrøder har tabt noget af deres robusthed, fordi man kan støtte planternes vækst ved hjælp af fx pesticider og tilførsel af gødning.

Denne intensive dyrkningsform påvirker dog miljø, natur og sundhed negativt. Der kan også være økonomiske fordele ved at udvikle mere robuste afgrøder, der skal sprøjtes eller gødes mindre. En udbredt strategi til at fremavle nye egenskaber i planter er at overføre egenskaber til de moderne sorter fra vilde slægtninge (”rewilding”). Det kan gøre dem mere robuste over for biotiske (fx skadedyr) og abiotiske (fx tørke) stressfaktorer og måske mindre gødningskrævende.

Robusthed er dog vanskeligt at fremavle, da det normalt skyldes et samspil af mange gener, som er udvalgt gennem millioner af års evolution. Det er usandsynligt, at man kan gøre fx en tomatplante mere robust ved alene at overføre ét eller få gener, sådan som man normalt gør ved genmodifikation. Og som vi skal vende tilbage til neden for, er det heller ikke nemt at gøre vha. traditionel forædling.

Ny strategi: tilbageførsel af domesticerings-gener
Men udviklingen af to teknologier har anvist en ny og lovende strategi. Det drejer sig om CRISPR-Cas9 teknologien og om genetisk kortlægning (sekventering)1.

De senere års sekventering af afgrøders genomer har lidt overraskende vist, at mange af de egenskaber, der har gjort moderne afgrøder kommercielt attraktive, er genetisk enkle. Det betyder, at de nemt kan overføres vha. genteknologi. De skyldes nemlig, at enkeltgener er blevet slået i stykker. I den moderne tomat har man fx identificeret en række mutationer, som øger udbyttet i forhold til den oprindelige tomat. Sådanne gener, der gennem tiden er blevet selekteret gennem forædling, bliver kaldt for domesticeringsgener.

Det har affødt en idé om at overføre domesticeringsgener til oprindelige robuste planter fra moderne afgrøder (re-domesticering), frem for fx at overføre egenskaber fra den oprindelige afgrøde til den moderne afgrøde (såkaldt rewilding).

I 2018 viste forskere, at man vha. CRISPR-Cas9 relativt hurtigt, nemt og præcist kan give den oprindelige tomat en række domesticeringsgener. Ved at slå en række gener i stykker i Solanum pimpinellifolium skabte de en tomat, der er væsentligt tættere på en moderne tomat – men med smag og robusthed som den oprindelige tomat. Andre forskere har samtidig vist, at man faktisk kan gøre dette ved alene at ændre i de regulatoriske sekvenser, der bestemmer domesticeringsgenernes aktivitet, dvs. helt uden at ændre på generne selv (figur 1).

figur 1  

FIGUR 1. RE-DOMESTICERING AF VILD TOMAT 

Forskerne kunne ved at deaktivere eller ændre på aktiviteten af få udvalgte gener (domesticeringsgener) opnå en oprindelig tomat med en række vigtige træk fra den moderne tomat: Synkroniseret frugtmodning, så klaserne kan plukkes hele; flere, større og mere robuste frugter (fra meget små runde frugter til ovale frugter på op til 500 g med mindre internt tryk og dermed lavere risiko for at sprække) samt forøget indhold af C-vitamin og lycopener. I takt med at der opdages yderligere domesticeringsgener, kan planten udvikles yderligere.

De øvrige gener er den oprindelige tomats, dvs. træk som robusthed over for tørke, hvilket kan begrænse behovet for kunstvanding og øge udbyttet i perioder med vandmangel; robusthed over for skadedyr, hvilken kan begrænse behovet for brugen af pesticider; et naturligt højt indhold af lycopener og C-vitamin, som anses for sundhedsfremmende; og flere smagsnuancer.

grafisk illustration af hvede, majs, ris, rug og byg 

HVEDE HØRER TIL GRÆSFAMILIEN, der består af over 4.000 arter, herunder velkendte afgrøder som majs, ris, rug, byg, havre og bambus.

figur 2  

FIGUR 2: FORSKELLE I RODSTØRRELSE PÅ ENÅRIG OG FLERÅRIG HVEDE I LØBET AF ET ÅR

(kilde: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:4_Seasons_Roots.jpg)

2.2.2 Udvikling af flerårig hvede (domesticering)

Det andet eksempel på udviklingen af klimavenlige afgrøder, vi skal se på, handler om at udvikle en flerårig hvede ud fra en vild hvedesort, der naturligt er flerårig.

Den hvede, der dyrkes på markerne, er karakteristisk for størstedelen af de afgrøder, der dyrkes i dag: Hvis man skal opnå et tilfredsstillende udbytte, kræver de regelmæssig nedbør, betydelig tilførsel af næringsstoffer og effektiv bekæmpelse af ukrudt og skadedyr, m.m. Det skyldes som nævnt bl.a. den forædlingsproces, afgrøden har været igennem. I hvedes tilfælde ikke mindst valget af én-årige varianter, der skal høstes/genplantes på ny hvert år. Sådanne planter danner et begrænset rodnet og bruger de fleste kræfter på at udvikle relativt store kornaks.

Klima- og miljøfordele ved flerårige afgrøder Intermediate wheatgrass (Thinopyrum intermedium)
er en nærtbeslægtet art, der ikke er udviklet som en højtydende afgrøde. Den er dog interessant set i sammenhæng med de udfordringer, der blev nævnt oven for. Den er nemlig flerårig og kan ligesom plænegræs ”klippes”, idet vækstpunktet (meristemet) forbliver intakt, fordi det sidder ved overgangen til rødderne nede ved jorden. Man høster altså ikke rødderne og pløjer ikke. Det giver en række fordele for både landmand, miljø og klima. Udviklingen af et stort rodnet (op til 3 meter dybt) gør:2

  • at planten kan overleve lange perioder med begrænset nedbør og dermed er bedre tilpasset de vejrudsving, global opvarmning medfører
  • at planten er bedre til at indfange næringsstoffer, hvilket stiller mere begrænsede krav om tilførsel af gødning og giver mindre udvaskning af næringsstoffer
  • at der bindes mere kulstof i jorden til gavn for klimaet
  • at ukrudtsplanter har sværere ved at finde fodfæste, hvilket reducerer behovet for ukrudtsmidler eller manuel lugning
  • at landmanden kan undgå mange ture gennem markerne med gødning, sprøjtning, pløjning, harvning, osv., der udleder CO2 og er tidskrævende
  • at jordkvaliteten øges, fordi rødderne begrænser erosion og tilfører kulstof og struktur, og jorden ikke presses sammen af hyppig kørsel med maskiner

Udfordrende forædling
Det er desværre udfordrende at få sådanne planter til at yde på en økonomisk bæredygtig måde, da wheatgrass ikke som moderne kornsorter har været igennem hundrede- eller tusindvis af års af forædlingsarbejde. Her nogle af de udfordringer, forædlerne kæmper med:

  • lille størrelse af korn, som både giver et lille udbytte (ca. en fjerdedel af moderne hvede) og besværliggør høst
  • at kornet slås ned i dårligt vejr – for at få større frø er man ofte nødt til at fremavle højere planter, men højere planter tipper nemmere ned, så akset knækker eller kommer til at hænge nedad, hvilket dels stopper deres vækst, dels gør høst vanskeligt
  • ustabilt udbytte – planternes udbytte dykker efter to-tre år og vil formentlig maksimalt kunne dyrkes fem år ad gangen. Især når de efter nogle år danner et tæt vækstlag, begrænser de automatisk deres frøproduktion

I 2018 har man udviklet den første kortlægning af genomet for intermediate wheatgrass. Det vil kunne bruges til at holde styr på forholdet mellem genoog fænotype under forædlingsprocesser.3 Sammen med et kendskab til hvedens domesticeringsgener muliggør det en langt mere målrettet forædlingsproces, uanset hvilken forædlingsteknik man vælger.

Man har vha. traditionel forædling forsøgt at krydse wheatgrass med andre hvedevarianter som spelt, men de varianter, der har opnået en markant udbyttefremgang, har fx mistet flerårigheden. Det viser, hvor svært og tidskrævende det kan være at forædle planter.

Som vi hørte i det første eksempel om tomaten, ser det dog ud til, at geneditering vha. CRISPR-Cas9 kan speede forædlingen op. Men er der overhovedet grund til at tro, at denne teknik er mere lovende end andre forædlingsteknikker? I det følgende skal vi se nærmere på de særlige muligheder og begrænsninger, CRISPR-Cas9 teknikken giver sammenlignet med alternative metoder, og herefter på de mulige risici.

2.3 CRISPR teknikken

Brugen af CRISPR til at domesticere eller redomesticere ser lovende ud, men der er foreløbig tale om forskningsresultater. Man ved endnu ikke i hvilket omfang det vil lykkes at fremavle afgrøder, der både er højtydende og miljø- og klimavenlige. Og i hvilket omfang de i givet fald vil blive brugt afhænger naturligvis også af forbrugernes efterspørgsel, miljøkrav, tilskudssystemer, osv.

To helt store fordele ved CRISPR-Cas9 teknologien er, at: '

• den gør det forholdsvis nemt og billigt præcist at ”programmere”, hvor i arvemassen der skal ændres, og hvilken ændring der skal gennemføres
• den kan bruges til at ændre flere gener på én gang (”multiplexing”)

I de følgende figurer kan du læse mere om CRISPR

  • Figur 3: Hvordan CRISPR-komplekset er opbygget
  • Figur 4: Hvordan CRISPR-Cas9 ødelægger et gen
  • Film: Se CRISPR-Cas9 i funktion
  • Figur 5: Trinnene i udviklingen af en genmodificeret/editeret plante
  • Figur 6: Eksempel på plasmid med 6 CRISPR-gener, der hver skal foretage en loss of function mutation i modtagerplantens arvemasse og dermed give planten en række domesticeringsgener

figur 3 

FIGUR 3: CRISPR-CAS9 KOMPLEKSET

Figuren viser de to “hovedpersoner” i CRISPR/Cas9-komplekset, som gør det muligt at foretage genetiske ændringer på et planlagt sted i plantens arvemasse:

Cas9: En molekylær ”saks” i form af en såkaldt endonuclease der kan klippe begge strenge i et DNA-molekyle over

gRNA: Guide RNA er den ”sporhund” i form af et stykke DNA, der binder til Cas9 og kan føre den over til det stykke DNA (target DNA), man vil ændre. Det kan det, fordi det har en sekvens der matcher (=er komplementær med) den sekvens, der skal ændres. Denne del kan designes, så den passer med præcis det gen eller den regulatoriske sekvens, der ønskes modificeret. Hvis man fx vil foretage mutationer i domesticeringsgenerne forudsætter det, at man på forhånd har kortlagt DNA-sekvensen af disse gener og dermed kender domesticeringsgenernes præcise sekvens

figur 4

FIGUR 4: CRISPR ØDELÆGGER ET GEN

Figuren viser knock-out af et gen ved at lave en loss-of-funtion mutation. Det dobbeltstrengede brud, Cas9 udfører, efterfølges af ikke-homolog sammenføjning – en klodset såkaldt ”indel” (insertion eller deletion) reparation, der ofte ødelægger genet, fordi det forrykker rækkefølgen af baser i genet (”frameshift mutation”). Teknikken udnytter altså, at celler – især planter – naturligt udfører dårlige reparationer.

FILM: SE CRISPR I FUNKTION se film om, hvordan CRISPR fungerer: https://www.youtube.com/watch?v=cKq1pKpSRSw&feature=youtu.be

figur 5

FIGUR 5: LABORATORIEPROTOKOL FOR GENETISK MODIFIKATION AF PLANTER

Figuren viser, hvordan en plante kan modificeres ved at indføre genetisk materiale via bakterien Agrobacterium tumefaciens, der har en naturlig evne til at overføre gener til planteceller. Ved transgen modifikation overføres et gen med plasmidet, der spontant splejser sig ind et eller flere tilfældige steder i plantens eget arvemateriale, som dermed nedarves. Ved CRISPR-baseret editering sker der ikke overførsel af et nyt gen til plantens arvemateriale; i stedet giver plasmidet cellen ”opskriften” til det gensplejsnings-kit, der gennemfører en modifikation af plantens egen arvemasse (se de forskellige dele i figur 6). Efter et stykke tid nedbrydes plasmidet, og kun mutationen i plantens arvemasse vil være tilbage, som nedarves.

figur 6

FIGUR 6: PLASMID TIL GENNEMFØRELSE AF MUTATIONER I SEKS GENER

Plasmid, der overført til en plantecelle udtrykker 6 CRISPR-komplekser, målrettet hvert sit gen; og nederst en forstørrelse af den del, der rummer guide-RNAerne. Plasmidet overføres til jordbakterien Agrobacterium tumefaciens, som bruges til at inficere plantecellerne (se figur 5).

2.4 Sådan er de planter, du spiser, udviklet – konventionel og bioteknologisk forædling

Udviklingen af nye mere værdifulde plantesorter kaldes som nævnt forædling. Man skelner traditionelt mellem konventionel og bioteknologisk forædling. Denne opdeling siger dog ikke så meget om, hvor omfattende genetiske modifikationer, der gennemføres. Konventionel forædling benytter en række teknikker, fx manipulation af kromosomantal og mutagenese, der udgør meget omfattende genetiske ændringer. Fx har man gjort agurker og bananer triploide, så de ikke rummer kerner. Sådanne teknikker betragtes dog af historiske grunde som konventionelle forædlingsteknikker.4

2.4.1 Krydsningsforædling

Henover de tusindvis af år, hvor mennesket har været agerbrugere, har man udvalgt de bedste eksemplarer blandt de høstede afgrøder, og man har krydset de bedste eksemplarer med hinanden for at samle de bedste egenskaber. På den måde har man via planternes naturgivne genetiske variation ændret på egenskaberne – og dermed den genetiske sammensætning – i afgrødeplanterne.

Også i dag er krydsningsforædling centralt. To forskellige sorter med hver deres attraktive træk krydses, og man håber blandt afkommet at finde en blanding af forældrene, der har tilstrækkeligt mange af de vigtigste attraktive egenskaber. Det kan være nødvendigt at krydse afkommet med en af forældrene igen, evt. flere gange.

Det er dog ikke sikkert, at man kan finde den eftersøgte egenskab, fx et gen der giver resistens over for en bestemt plantesygdom, i en moderne sort. Som vi hørte oven for kan det derfor være relevant at krydse en moderne sort med en vild slægtning.

Det kræver et langt arbejde med gentagne tilbagekrydsninger med den moderne sort for at komme af med alle de gener/egenskaber i den vilde slægtning, der er kommercielt uattraktive. At udvikle nye sorter gennem krydsning tager lang tid, normalt 12-16 år. Normalt vil der desuden være en pris at betale i form af dårlige træk, fordi man ikke kan fremavle et afkom, der på én gang har fået alle eller næsten alle forældrenes bedste gener.

mænd sprøjter afgrøder 

”DEN GRØNNE REVOLUTION” reddede især asiatiske lande som Kina og Indien fra en forestående hungersnød med introduktionen af intensivt landbrug, herunder brugen af pesticider og kunstgødning.

2.4.2 Mutationsforædling/mutagenese

Det er dog heller ikke sikkert, at man kan finde de eftersøgte egenskaber/gener i de vilde slægtninge.

I 1950’erne løb man ind i det problem, at man ikke kunne få planterne til at øge ydelsen i samme takt, som der kom flere mennesker til. ”Den grønne revolution”, som reddede især asiatiske lande som Kina og Indien fra en forestående hungersnød, involverede introduktionen af intensivt landbrug og herunder brugen af pesticider og kunstgødning.

Og ikke mindst involverede det udviklingen af højtydende plantesorter. Udfordringen var, at man ofte ikke kunne finde den genetiske variation i arten selv, der muliggjorde de nødvendige fremskridt vha. krydsning. Disse sorter blev – og bliver den dag i dag – udviklet ved, at man kunstigt frembringer genetiske ændringer, dvs. genetisk variation, arten ikke besidder fra naturens hånd. Opdagelsen i 1940’erne af, at man kan ændre på levende organismers arvemasse ved fx at bestråle dem med en radioaktiv kilde, åbnede for, at man kunne frembringe planter med tilfældige mutationer, såkaldt mutagenese.

Mutagenese kan afstedkomme tusindvis af tilfældige mutationer og udgør på den måde en slags ”upræcis genmodifikation”. Langt de fleste mutationer er dårlige, både for plantens evne til at overleve i naturen og som afgrødeplanter. Når man identificerer en attraktiv egenskab/mutation, må man derfor i gang med mange runder tilbagekrydsning. Man krydser mutant-planten med højtydende sorter og udvælger det afkom, der har bevaret det attraktive træk men så vidt muligt ikke har arvet de mange dårlige mutationer. Også denne metode er altså normalt tidskrævende og kan slæbe en del dårlige gener med sig, hvorfor interessen for den faldt for mange år siden (se dog neden for om tilling).

2.4.3 Bioteknologisk forædling - trans-/cisgen modifikation og præcisionsmutagenese

I over 30 år har man kunnet modificere levende organismer genetisk, og ca. 13 % af det samlede globale landbrugsareal dyrkes i dag med genetisk modificerede afgrøder (GMO).5 En stor del af disse er ”transgene”, dvs. man har indsat et helt nyt gen fra en anden art i planten. Det gælder fx de mange sorter af majs, soja, bomuld, m.m., der er resistente over for ukrudtsmidlet roundup. De har fået overført et gen fra en bakterie, der gør, at de overlever, når man sprøjter en mark med ukrudtsmidlet, som får alle andre og herunder ukrudtsplanterne til at visne.

Man kan på samme måde foretage såkaldt cis-gen modifikation, hvor man overfører et gen fra en beslægtet sort, fx fra en vild gulerod til en kommerciel gulerod. Selvom man i sådanne tilfælde ville kunne overføre et vigtigt gen ”naturligt” via krydsningsforædling, kan man ved alene at overføre det brugbare gen undgå at blande den vilde (og dermed lavtydende) gulerods gener med den kommercielle variants. Den vigtige fordel er, at man dermed kan undgå de mange runder med tilbagekrydsning. Man regner med, at forædlingstiden på den måde kan halveres fra 12-16 år til 6-8 år.6

Endelig kan man vha. genmodifikation foretage ændringer i egenskaber uden at indsætte et nyt gen, som det fremgik oven for. Det har vist sig, at langt flertallet af de ændringer, der via udvælgelse, krydsninger og evt. mutagenese har ført til, at vi i dag har højtydende afgrøder, er funktionstabs-mutationer (”loss of function” – se oven for om domesticeringsgener). Nye egenskaber er altså her opstået ved, at bestemte gener er blevet deaktiveret.

CRISPR-teknikken bruges i planter primært til det sidstnævnte, hvor der ikke indføres nyt genetisk materiale, men gør det på en mere kontrolleret måde. Derfor bruger mange udtrykket ”genetisk editering” eller ”præcisionsmutagenese” fremfor ”genetisk modifikation”, når de taler om ændringer frembragt med CRISPR.7 Neden for skal vi se nærmere på de mulige risici ved teknikken.

2.4.4 Screeningsværktøjer – MAS og NGS

Brugen af bioteknologi til at undersøge, hvordan gener/egenskaber ændres under et forædlingsarbejde, er i dag meget vigtig i både konventionel og bioteknologisk forædling. Man har længe anvendt såkaldt marker-assisted selection (MAS)8 , og med en rivende udvikling inden for genetisk sekventering (next generation sequencing, NGS)9 er det i dag muligt at genetisk kortlægge afgrøden både før og efter forædlingsforsøget. Dermed kan man screene for tilsigtede og utilsigtede ændringer, og sammenligne med de fremkomne fænotyper. Teknikkerne kan på den måde både øge sikkerheden og forkorte forædlingstiden markant.

Genetisk kortlægning har muliggjort en teknik, der vinder frem i disse år, såkaldt Tilling.10 Idéen er, at man underkaster frø mutagenese og vha. NGS screener for mutationer, der kan sammenholdes med fænotypiske træk, fx udbytte. På den måde kan man på meget kort tid tilvejebringe en hvilken som helst mutation11, der er brug for i forædlingsarbejdet (men man får desuden en masse mutationer, hvis betydning ikke kendes). Der er altså tale om en videreudvikling af kemisk mutagenese. Hvis man alene screener for brugbare eksisterende genvarianter og ikke bruger mutagenese, kaldes teknikken ecoTilling.

2.5 Er usikkerhed og risici ved editering anderledes end for de øvrige forædlingsteknikker?

Introduktionen af gen-editering har ligesom introduktionen af transgen modifikation i 1990’erne medført en diskussion om risici – og måske især af uventede konsekvenser, dvs. hvad man kunne kalde for ”ukendt usikkerhed”.12 Editering er en relativt ny teknik, som man derfor har begrænset erfaring med at dyrke. I udgangspunktet gør det denne teknik mere usikker end fx mutagenese. Som vi skal se i det følgende, er det dog vanskeligt at pege på forhold ved editering, der giver grund til at tro, at den skulle være mere usikker eller risikabel end andre forædlingsteknikker, tvært imod.

2.5.1 Usikkerhed

En kritik har gået på, at genmodifikation fx medfører uforudsete forandringer i andre egenskaber end den, man ville ændre. Det kan skyldes såkaldt pleiotropi, dvs. at et gen har betydning for mere end én egenskab. Sådanne uventede effekter finder dog også sted i konventionel forædling.

Det kan også skyldes såkaldte off-target mutationer, som skyldes, at CRISPR-komplekset foretager mutationer andre steder end det planlagte, især hvis guide-RNA er designet upræcist. Dette kan være et problem, hvis man bruger CRISPR på mennesker (læs mere på www.etiskraad.dk/crispr), men med planter kan man løse dette problem ved tilbagekrydsning. Man kan desuden med grundig sekventering undersøge minutiøst, om der er sket offtarget mutationer. I forsøget med re-domestering af tomat nævnt oven for fandt man ingen. Selv hvis der var få, skal man huske på, at der også hele tiden sker mutationer, fx når celler deler sig.

Det også svært at se, hvorfor der på den ene side er stor accept af kemisk mutagenese, som typisk indfører op til mere end tusind mutationer med ukendt virkning. Mens de få mutationer, editering laver, på den anden side medfører meget omfattende krav til risikovurdering.

2.5.2 Risici13

En mere kontrolleret modifikation indført med genmodifikation må derfor, sammenlignet med kemisk mutagenese, antagelig betyde mindre usikkerhed. Det er dog ikke ensbetydende med en garanti imod særlige risici.

2.5.2.1 Sundhedsrisici
Uanset om man forædler planter på den ene eller anden måde, vil man undersøge den nye afgrøde for stoffer, der er potentielt sundhedsskadelige. Mange af vores fødevarer indeholder giftstoffer i små mængder, og disse kan, som følge af en genetisk ændring utilsigtet være blevet genetisk opjusteret. I GMO’ernes barndom frygtede man desuden, at genetiske ændringer kunne gøre planten mere allergifremkaldende. Formentlig ville dette blive opdaget under de tests, der udføres forud for godkendelse, men alle tests efterlader en usikkerhed, hvis størrelse man først kender, når teknologien har været afprøvet i virkeligheden.

Det gælder vel at mærke alle former for forædling. Derfor er spørgsmålet, om genmodifikation kan antages at medføre en større risiko end de forædlingsteknologier, der allerede benyttes?

Efter 30 år med GMO-dyrkning på nu 13 % af de globale landbrugsarealer er der fremkommet et enkelt dokumenteret eksempel. Overførslen af et gen fra paranød til soya viste sig at overføre et allergifremkaldende protein. Det blev dog opdaget, før soyaen blev kommercielt tilgængelig. Det er et eksempel på, at der kan være særlige risici ved transgen modifikation, men også på, at man faktisk var opmærksom på dette og fik afgrøden stoppet. Også nyudviklede konventionelle afgrøder må nogle gange afvises pga. for højt indhold af sundhedsskadelige stoffer. Genmodifikation kan som nævnt også bruges til at udvikle mere sunde fødevarer, fx med flere antioxidanter eller færre giftstoffer.

Man kan indvende, at de aktuelt dyrkede GMO’er består af et fåtal af GM-varianter; man kan med andre ord godt forestille sig en fremtidig GMO, der er allergifremkaldende. På samme måde kan nye ”naturlige” (fx vilde) planter, der bruges til fødevare- eller helseformål indebære sådan en risiko. Der er dog intet, der tyder på, at risikoen er større ved genmodifikation.

Genetisk knock-out vha. editering betyder ligefrem, at et protein ikke syntetiseres og føjer altså ikke nye proteiner til. Faren for at editering frembringer nye allergener – som normalt skyldes et immunrespons på bestemte proteiner – må derfor anses for at være lille.

luftfoto af mejetærsker på mark

2.5.2.2 Økologiske risici
Brugen af gift i naturen
I udgangspunktet er udfordringen med de GMO’er, der aktuelt dyrkes, at mange af dem viderefører en omfattende brug af pesticider. Såkaldte Bt-planter har fået indsat et gen fra bakterien Bacillus thurengiensis som gør, at specifikke skadedyr dør af at spise af planterne. De er ikke markant bedre eller værre på dette punkt end andre konventionelt dyrkede af
grøder14, men økologiske afgrøder er på dette punkt bedre for naturen. Det er dog værd at bemærke, at de editerede afgrøder, der er i fokus her, netop ser ud til at kunne begrænse brugen af naturskadelige stoffer som pesticider og samtidig fremmer en mere intensiv produktion, der alt andet lige begrænser klimapåvirkningen.

Invasive planter
En anden hovedbekymring har været, at genmodificerede planter rummer gener, der kan gøre planterne til en form for superukrudt, der giver problemer for naturen og/eller landmanden, idet den breder sig på bekostning af andre planter. Kæmpebjørneklo og dræbersnegl er eksempler på sådanne ”invasive arter” (uden dog at være genmodificerede).

I udgangspunktet er det usandsynligt, at planter med ødelagte gener, eller planter, som gennem forædling er blevet udvalgt efter deres udbytte, har bevaret evnen til at overleve i den benhårde konkurrence, som findes mellem arterne i naturen. Her er grundloven, at de mindst egnede forsvinder. Når man ødelægger gener, planterne normalt kun har, fordi de medvirker til (eller ikke modarbejder) denne overlevelse, må man tro, at de ville være alvorligt svækkede. En almindelig erfaring er da også, at vores afgrødeplanter er nogle ”skravl”, der kun kan klare sig i den ”kuvøse”, marken eller drivhuset udgør. Det er bl.a. derfor, de er så plejekrævende. Studier har dog vist, at selv sådanne skravl nogle gange kan danne hybrider med vilde slægtninge, der vokser uden for marken og kan leve længe nok til at danne pollen. Dermed kan en såkaldt introgressionsproces indledes, der ender med, at populationen af vilde slægtninge uden for marken har inkorporeret transgenet/mutationen, men har frasorteret alle de dårlige gener fra afgrødeplanten. Hvis dette kan forbedre den vilde plantes overlevelse, kan den i teorien blive invasiv, dvs. brede sig på andre arters bekostning.

I sådanne tilfælde er spørgsmålet ikke, om afgrøden selv ville blive invasiv, men om den pågældende mutation ville gøre den vilde slægtning invasiv. Normalt fører tab af gener (domesticerings-mutationer) til tab i konkurrenceevne, men ikke altid. Visse proteiner danner fx basis for, at skadelige organismer kan inficere planten, og tabet af sådanne kunne udgøre en fordel for planten. Det er dog værd at bemærke, at knockouts af denne slags minder om de forandringer, almindeligt sollys kan forårsage. Var forandringerne til overvældende fordel for planten, ville de formentlig være udbredte allerede.

Invasivitet og domesticering/re-domesticering
Afgrøder som kartoffel og tomat har slet ingen vilde slægtninge i Danmark, og så længe det er sådan, kan introgression ikke finde sted.

Hvis der er tale om domesticering eller re-domesticering, ville de gode overlevelsesevner snarere komme fra planten selv end fra de ændrede gener. Mange af de problemer med invasive arter, vi ser i dag, skyldes, at en vild art er indført. Det kan fx skyldes, at de på den måde undslipper deres naturlige fjender, som findes på deres oprindelige voksested.

Samlet set kan man forestille sig en lille ekstra risiko for invasivitet ved at dyrke vilde planter med domesticeringsgener (hvis mutationen medfører bedre konkurrenceevne). Det er dog mere sandsynligt, at en eventuel risiko skyldes, at man dyrker ”naturlige” planter fra fremmede egne, hvad enten de er editerede/genmodificerede eller ej (hvis de har naturligt høj konkurrenceevne).

Det peger på, at (re-)domesticering er økologisk lidt mere risikabelt end traditionel genmodifikation af højt forædlede afgrøder. Betingelsen for, at de kan klare sig med færre pesticider m.m., er netop, at de er mere levedygtige. En mutation, der fx medfører skadedyrsresistens, kan måske ændre på den vilde slægtnings overlevelse. Hvis der fx fremavles stærkt fordelagtige træk i en plante, der selv på forhånd er kendt som en genstridig ukrudtstype et andet sted i verden, bør risici naturligvis undersøges nærmere. Risikoen for økologiske skader må dog selv her generelt antages at være meget lille sammenlignet med de dokumenterede forstyrrelser af økosystemer, som følger af fx land-/skovbrug generelt, fragmentering af naturområder og ikke mindst klimaforandringer.

opgave

Du skal ”re-domesticere” en afgrøde, så den kan yde højt men med reduceret brug af gødning og pesticider.

  • Vælg fx gulerod, sukkerroe, raps eller majs  
  • Hvad taler for og imod at bruge henholdsvis krydsning, kemisk mutagenese og genteknologi?  
  • Hvad skal man være opmærksom på, når man skal risikovurdere den nye editerede afgrøde? - stil spørgsmålene op og prøv eventuelt på at besvare dem ved fx at læse om vilde og forædlede varianter

noter

  1. Du kan læse mere om genetisk sekventering på http://www.etiskraad.dk/etiske-temaer/genteknologi/undervisning-til-gymnasieskolen/genom-undersoegelser/hvad-er-en-genomundersoegelse
  2. https://dl.sciencesocieties.org/publications/csa/articles/61/11/4
  3. https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-016-2799-7
  4. Læs mere i Brinch-Petersen m.fl. ”Vidensyntese om nye planteforædlingsteknikker og deres effekt på dansk landbrug”. Aarhus Universitet, 2018
  5. Se kapitel 1
  6. Kurt Hjortsholm, Mogens Koktvedgaard, Peter Krogstrup: planteforædling i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 30. oktober 2018 fra http:// denstoredanske.dk
  7. https://lbst.dk/fileadmin/user_upload/NaturErhverv/Filer/Styrelsen/Moed_os/Orienteringspapir_Teknikker_Ver_2.pdf
  8. Læs mere på: http://www.etiskraad.dk/etiske-temaer/natur-klima-og-foedevarer/undervisning-til-gymnasieskolen/gmo/teknikker
  9. Læs mere på: http://www.etiskraad.dk/etiske-temaer/genteknologi/undervisning-til-gymnasieskolen/genom-undersoegelser
  10. Se afsnit 2.7. i http://web.agrsci.dk/djfpublikation/index.asp?action=show&id=1270
  11. Alene såkaldte loss of function mutationer, der beskrives nærmere neden for
  12. Læs mere her: https://lbst.dk/fileadmin/user_upload/NaturErhverv/Filer/Styrelsen/Moed_os/Orienteringspapir_Risiko_ver_2.p
  13. Læs mere om risikovurdering af GMO på EU-kommissionens hjemmeside: https://ec.europa.eu/food/plant/gmo/authorisation/cultivation_e
  14. Læs fx Det Etiske Råds redegørelse om mærkning af GMO: http://www.etiskraad.dk/~/media/Etisk-Raad/Etiske-Temaer/Natur-klima-og-foedevarer/Publikationer/2016-Den-etiske-forbruger.pdf

Hent undervisningshæfte

Her kan du hente alle teksterne samlet i et undervisningshæfte. Hæftet er også velegnet til brug på tablets og til udskrivning.

Undervisningshæfte

Her kan du læse om

I denne tekst kan du læse om, hvordan forskere bruger CRISPR-Cas9 teknologien til at lave vilde planter om til afgrøder, der er mere skånsomme miljø og klima. 
Teksten forudsætter et grundlæggende kendskab til mendelsk genetik. Nogle af boksene introducerer mere avancerede molekylærbiologiske begreber, fx regulatoriske og markør-sekvenser, translation, m.m.