9. maj 2011

2. Teknikken: Genetisk modifikation af planter

Menneskets trivsel har til alle tider været knyttet til vores evne til at beherske naturen, for derved at opfylde vores behov blandt andet ved hjælp af redskaber og teknologi.

Genmodifikation (eller gensplejsning, genmanipulation eller rekombinant teknologi - alle ord, der bruges om det samme) er blandt de nyeste og mest omdiskuterede redskaber i værktøjskassen. Idéen er helt enkelt, at man ved at ændre på levende væsners gener også ofte kan ændre på deres egenskaber.

Traditionel forædling: Nye planter ad naturlig og kunstig vej

Genetisk modifikation er ikke den eneste måde at ændre på planters egenskaber. For eksempel har mennesket forsøgt at forbedre - forædle - planter lige så længe, som vi har dyrket jorden. I første omgang blot ved at indsamle frø og ved hvert år at udvælge de bedste planter - planter der gav større udbytte, planter med større modstandsdygtighed over for skadedyr, eller planter der bedre kunne tolerere tørre perioder, kulde eller meget nedbør. Senere er man begyndt mere systematisk at tilføre planter nye egenskaber, blandt andet ved at krydse forskellige plantesorter, for på den måde at forene deres nyttige egenskaber.

Efter anden verdenskrig lykkedes det at udvikle forskellige teknikker, der gjorde det muligt at frembringe nye planter ad mere eller mindre kunstig vej forstået på den måde, at naturen ikke selv kunne have frembragt dem. Ved at bestråle frø eller bade dem i stærkt reaktive væsker ("mutagenese"), kan man eksempelvis fremkalde mutationer i planterne, hvilket nogle gange kan ændre på planterne på måder, der er fordelagtige i landbrugsøjemed. Man kan også skabe nye planter ved at få planteprotoplaster (dvs. planteceller befriet for cellevæggen) fra nært beslægtede sorter til at smelte sammen, som ikke kan danne afkom ad naturlig vej, eller ved at manipulere med deres kromosomantal.

Formålet med såvel de mere naturlige som de mere kunstige forædlingsmetoder er at ændre på planternes genetiske sammensætning. Selvom flere af dem involverer manipulation på molekylært niveau betegnes de formelt som "traditionel forædling". Traditionelle forædlingsteknikker er globalt set langt de mest anvendte.

Genetisk modifikation

Ved "genetisk modifikation" (GM) forstår man imidlertid en teknik, hvormed man på molekylært plan kan manipulere med generne, for eksempel ved at overføre et eller flere gener fra en art til en anden, og dermed tilføre funktionelle gener. I modsætning til traditionelle forædlingsmetoder kan man ved hjælp af genetisk modifikation målrettet "hente" egenskaber i andre dele af den biologiske verden, sågar nogle der er ekstremt fjernt beslægtede, og indsætte dem stort set uden at ændre på afgrødeplanten i øvrigt.

GM løser dermed to problemer, der ofte forekommer ved traditionel forædling. For det første medfører krydsningsavl og mutagenese ofte omfattende ændringer i afgrøden, som typisk resulterer i en betydelig udbyttenedgang. For at genvinde det tabte må man derfor bagefter i gang med et langsommeligt forædlingsarbejde. For det andet er man ved traditionel forædling begrænset til at udveksle gener mellem relativt nærmere beslægtede arter. Oprindelig var man begrænset til de egenskaber, som findes i slægtninge, og som kan "hentes ind" i afgrøden ved at krydse den med slægtningen. Kravet var her, at planterne rent faktisk kunne danne et frugtbart afkom, dvs. at de sorter, man krydser, er nært nok beslægtede til, at de kan danne frugtbart afkom.

Ved genetisk modifikation er der ingen grænser for, hvor fjernt beslægtet den art kan være, som genet kommer fra. Man har for eksempel indsat gener fra mennesker i både planter og bakterier, og man har brugt et gen fra torsk til at gøre tomat og kartoffel mindre følsomme over for kulde. Man bruger dog også genmodifikation til at overføre gener fra planter inden for samme art ("cis-gen modifikation" - versus "transgen modifikation").

Kartofler

Genetisk modifikation: Der er ingen grænser for, hvor fjernt beslægtet arterne kan være. Fx har man brugt et gen fra torsk til at gøre kartofler mindre følsom over for kulde. 

Det kan virke mærkeligt, at man sådan kan flytte gener mellem så forskellige organismer, og at gener fra bakterier så at sige "virker", også når de bliver indsat i planter. Det vidner om, at alle levende organismer molekylært er opbygget stort set ens. Man snakker om, at den genetiske kode er universel.

GMO: Egenskaber flyttes rundt

Udgangspunktet for genmodifikation er, at man har observeret en egenskab hos én organisme, som ville være gavnlig i en afgrøde, man ønsker at forbedre. Det kan være evnen til at modstå insektangreb. Sådanne egenskaber findes i et vist omfang naturligt i planter, men i nogle afgrødeplanter kan beskyttelsen være utilstrækkelig.


Eksempler på genmodificerede afgrøder

De afgrøder, der er vist med fed, er i avl (dog ikke nødvendigvis i EU); de, der er vist med kursiv, forventes godkendt inden for fem år. For flere af eksemplerne gælder, at de pågældende egenskaber er blevet indført i flere forskellige afgrødetyper.

Type
Virkning
Formål

Bt
Afgrøden udskiller det "naturlige" insekticid Bt-toxin
Bekæmpelse af skadedyr såsom nematoder og billelarver

RoundupReady
Afgrøden tåler sprøjtning med ukrudtsmidlet Roundup
(aktivstof: glyphosat)

Al anden plantevækst i marken end afgrøden dør ved sprøjtning med Roundup. Ved korrekt brug kan der opnås en miljøgevinst sammenlignet med konventionel dyrkning.

Fytase
Planten udtrykker enzymet fytase, der nedbryder planters fytin, hvilket frigør fosfor
Forbedring af husdyrs optag af fosfor fra foder (fx majs), hvorved der spares penge og udledes mindre fosfor til miljøet

Golden Rice
Riskorns indhold af A-vitamin forøget
I mange udviklingslande er A-vitaminmangel et problem

Proteinforbedring
Afgrødens indhold af protein øges eller aminosyresammensætning ændres, så flere af de essentielle aminosyrer produceres
Mennesker der kun har adgang til, eller vælger kun at spise vegetarisk kost får i højere grad dækket deres proteinbehov

Salt-tolerance
Afgrøden kan vokse ved højere koncentrationer af salt i jorden
Værn mod problemer med saltholdig jord, fx pga. kunstvanding

Tørketolerance
Afgrøden kan bedre overleve perioder med tørke
Værn mod periodevis tørke

Læs mere på fx http://kortlink.dk/hv5f


Den globalt mest udbredte genetisk modificerede (GM-) plante i landbruget i dag er modstandsdygtig overfor herbicidet Roundup. Normalt bruges Roundup til at dræbe al plantevækst på et givet område. Roundups aktive stof "glyphosat" hæmmer et bestemt enzym i plantecellerne, der er nødvendigt for plantens fremstilling af aminosyrerne alanin, tryptofan og phenylalanin, og dermed for opbygningen af proteiner. Ved at sprøjte marken med Roundup dræber man derfor alle planter på nær den gensplejsede, resistente afgrøde. Resistensgenet fandt man oprindelig, da man opdagede lidt bakterievækst på en fabrik, der fremstiller Roundup. Bakterien måtte altså være modstandsdygtig mod herbicidet. Det lykkedes at isolere genet fra bakterien og overføre det til forskellige afgrødeplanter. I dag er genet indsat i en lang række afgrøder, såsom roer, majs, soja og bomuld.

Opbygning af DNA-konstrukt

Når forskeren har fundet en organisme med en attraktiv egenskab, og har lokaliseret det gen, der koder for egenskaben, er næste skridt at isolere genet, lave en masse kopier af det, og dernæst indsætte genet i den plante, der skal transformeres. Det gen, man indsætter, kalder man for transgenet.

Det er ikke nok at indsætte selve transgenet. Transgenet og de øvrige elementer, der indsættes kaldes samlet for "DNA-konstruktet".

Kontrolelementer. Alle gener har i den ene ende et område med kontrolelementer, der viser cellen, hvornår og hvor meget genet skal være aktivt, og som kaldes promotere og enhancere. Promotere "viser" RNA-polymerasen, hvor den skal begynde på sin transskription. Kontrolelementers funktion er ofte påvirket af udefra kommende signalstoffer, såsom hormoner, der frigives andre steder i planten som respons på påvirkninger (vandmangel, skader, næring, osv.). De kan altså være "inducerbare", modsat plantens "husholdningsgener", der ofte er kontrolleret af konstitutive, det vil sige permanent aktiverede, kontrolregioner.

Man kan derfor vælge kontrolelementer, der passer til det konkrete formål. Skal man for eksempel fremavle tørketolerante planter, skal det indsatte gen måske først aktiveres ved tegn på vandmangel.

Selektionsgener. Typisk er det kun en brøkdel af de planteceller, man forsøger at transformere, der rent faktisk integrerer transgenet. Så hvordan ved man hvilke? Man kunne naturligvis prøve plantecellerne af en for en, men det er besværligt, og hvis det indsatte gen har effekt sent i plantens liv (fx i frugtudviklingen), kan man komme til at vente i lang tid! Heldigvis findes der smartere måder. Foruden kontrolelementer indsætter man nogle gener, der bagefter hurtigt kan afsløre, om det er lykkedes at indsætte genet. Man kan indsætte et såkaldt "selektions-gen".

Hyppigt har man brugt et gen, der gør plantecellerne resistente overfor et bestemt pesticid eller antibiotikum, såsom kanamycin, der blokerer chloroplasternes funktion. Når man udsætter plantecellerne for dette antibiotikum, vil kun de celleklumper eller småplanter, hvor modifikationen er lykkedes blive grønne, mens de øvrige vil være gullige. Man kan også indsætte et "markørgen". Man kan for eksempel bruge et gen, der ændrer på plantecellens udseende; genet m2fpu fra vandmænd får cellen til at fluoricere grønt. Man har sågar brugt genet lux fra ildfluen, der kan få planten til at lyse svagt. Pointen er, at med selektions- og markørgener kan man afsløre de transformerede celler allerede på éncellestadiet.

Arvematerialet, i form af DNA-tråden, er ekstremt tynd, og derfor er fysiske metoder til at klippe i den (såsom en saks) alt for klodsede. Til formålet bruger man i stedet enzymer, der meget specifikt kan klippe DNA, hvilket efterlader enderne sådan, at de meget gerne vil klistres sammen med andre DNA-strenge, der er klippet på tilsvarende vis. Så ved at klippe genet og de DNA-stykker, det skal kobles til, på en bestemt måde, kan man få dem til at søge hinanden. Processen efterlader kun et lille "hul" i hver af de komplementære DNA-strenges "skelet" (der består af skiftevis sukker- og fosfatmolekyler). Enzymet ligase katalyserer dannelsen af denne binding.

Transformationen

Selve indsættelsen af genet kaldes ofte for "transformationen", og foregår typisk på en lidt anden måde i planter, end når man genmodificerer celler fra dyr og mennesker.

Der findes en række forskellige transformationsmetoder, som benytter forskellige vektorer, dvs. måder, hvorpå DNA-konstruktet overføres til plantecellen. Den mest populære metode består i at inficere planteceller med en jordbakterie ved navn Agrobacterium tumefaciens. Man kender bakterien fra naturen, hvor den er i stand til meget præcist at indsætte nogle af sine egne gener, "T-DNA", i den plante, den angriber. Det har man udnyttet ved at udskifte plantens eget T-DNA med gener, man ønsker at indsætte i planten, transgenerne. Når bakterien så inficerer planten, indsætter den altså transgenet.

Agrobacterium tumefaciens – naturligt talent for gensplejsning: Jordbakterien Agrobacterium tumefaciens (dansk navn: rodshalsgalle-bakterien) er i dag den mest benyttede vektor til transformation af planter. Fra naturens hånd besidder den evnen til at splejse sit DNA ind i planteceller, hvilket får planten til at vokse på en måde, der er gunstig for bakterien. Bakterien indeholder, som mange andre bakterier, et ekstra, ringformet kromosom, et plasmid, som i Agrobacterium kaldes for Ti-plasmidet - det står for "Tumor inducing plasmid" (knude- (eller galle-)fremkaldende plasmid). (illustration: Peter Waldorph)

Indsplejsningen i plantecellernes DNA sker så at sige spontant. Når først DNA-konstruktet er trængt ind i cellekernen kan indsplejsningen ske. Rent fysisk kan processen sammenlignes med det, der sker under "overkrydsning" ved meiotisk celledeling, når det kromosompar, der består af et kromosom fra hver af forældrene, "blander sig" med hinanden. Man mener, at transgenet "smutter ind", når der fra tid til anden sker brud på modtagerens DNA-streng. I nogle tilfælde kan man fremme indsplejsningen ved at medtage homologe grænseregioner i sit konstrukt (det vil sige DNA-sekvenser som er parallelle med noget af modtagerens eget DNA). Det skyldes formentlig, at de enzymer, der sørger for hurtigt at reparere brudte DNA-strenge, til en vis grad kan registrere hvilke DNA-strenge, der ligner hinanden.

Det kan måske forekomme lidt overraskende, at "fremmed" DNA sådan kan trænge ind i cellekernen og uden videre splejse sig ind. Vi kender det dog fra både virus, der kan splejse sig ind i vores DNA, og fra såkaldt "hoppende gener" (transposoner), som er små sekvenser af vores DNA, der spontant "hopper" rundt og kopierer sig ind i vores DNA. Der findes dog i planteceller et vist forsvarssystem imod skadevirkninger på grund af indsættelsen af "nyt" DNA, idet man nogle gange ser, at cellen blokerer det nye DNAs aflæsning ved at koble methylgrupper på. Det er et eksempel på "epigenetisk modifikation" - dvs. modifikationer af arvemassen, som ikke medfører ændringer i selve DNAet.

Methylering af DNA er et eksempel på, hvorfor der til trods for en vellykket transformation kan opstå uregelmæssigheder i transgenets aktivitet. Nogle gange ser man, at det integrerede konstrukt helt eller delvist, og af grunde der ikke er helt klarlagt, bliver methyleret. Når enzymet DNA methyltransferase sætter methylgrupper på DNAet, kan RNA-polymerasen ikke "komme til" på DNA strengen, og dermed kan transgenet ikke blive aflæst og dermed virke i cellen. Da denne methylering kan nedarves, kan det betyde, at heller ikke plantens afkom aflæser transgenet. Methyleringen er altså et eksempel på, at arvelighed ikke kun består af den genetiske kode, men også fx af de signaler cellen bruger til at afgøre, hvornår hvilke genetiske sekvenser skal aflæses. Man kalder denne form for arvelighed for epigenetisk arv. (illustration: Peter Waldorph) 

Sådanne epigenetiske modifikationer er et eksempel på faktorer, der kan have indflydelse på transgenets funktion. DNA konstruktet indsættes et mere eller mindre tilfældigt sted i planten. Præcis hvor kan have stor betydning for, hvordan transgenet virker ("position effects"). Lige som i vores eget arvemateriale er nogle regioner fx mere aktive end andre, afhængig af den specifikke celles funktion, påvirkninger og udviklingsstadie, og generne kan påvirke hinanden. Indsættes transgenet midt i et af værtscellens egne gener, vil det pågældende gen blive ødelagt. For at undersøge om transgenet er indsat og fungerer på en hensigtsmæssig måde gennemfører man blandt andet analyser af cellernes ekspression af genet. Det kan man blandt andet gøre ved at undersøge, hvilke proteiner, cellen udtrykker.

Opformering og test

De efterfølgende tests af den transformerede celles egenskaber kræver, at man kan frembringe en masse genetisk identiske kopier, eller "kloner", af cellen. Sådanne kloner kan man forholdsvis nemt frembringe ved at anbringe nogle planteceller i et næringsmedium, dvs. typisk en geleagtig substans som indeholder de stoffer, cellerne skal bruge for at vokse og dele sig. Ved hjælp af plantehormoner af typerne auxiner og cytokininer kan man styre cellernes vækst og udvikling.

Auxinet 2,4-D (2,4-dikloro-eddikesyre) i lave koncentrationer stimulerer cellerne til at dele sig uden at differentiere sig, mens højere koncentrationer af auxinet IAA (indoleddikesyre) gør, at der dannes rødder. Afhængig af koncentrationer og blandingsforhold stimulerer eller begrænser auxiner og cytokininer planteceller til bl.a. at udvikle rødder og skud. Fra hver klon, som viser tegn på en vellykket transformation, kan man ved at justere plantehormon-niveauet frembringe en hel plante, som kan plantes ud i jord og bringes til det stadie, hvor man fx kan høste frø. Planteceller kan med andre ord relativt let gøres totipotente - et træk der adskiller dem fra fx vores egne celler, ser man bort fra det befrugtede æg. Det er dog ikke alle plantevæv, der lige let de-differentierer sig. De mest udifferentierede dele af planten, foruden selve zygoten (dvs. det befrugtede frøanlæg, som befinder sig inden i frøet), er vækstpunkterne (meristemerne), som oftest findes i spidsen af planten.

Når man har fundet frem til planter, der er transformerede og stabile, venter et større arbejde med at teste planternes vækst og genets aktivitet under forskellige miljøforhold osv. Disse data indgår i vurderingen af plantens kvalitet som afgrøde og som en del af risikovurderingen af GMOen.

Læs mere

Andre relevante artikler





Genteknologi

I teksten Genteknologi og sygdomsbehandling gennemgås, hvordan genteknologi kan anvendes til at behandle sygdomme hos mennesker. Her vil vi se på, hvordan det anvendes til at ændre ved planter. Hvis du vil læse mere om gener og genteknologi kan du se under temaet "Genteknologi" eller i baggrundsteksterne "Alt om DNA" og "Noget om celler".

Marker Assisted Selection - PCR og elektroforese

Molekylære teknikker indgår også i traditionel planteforædling. Læs mere og se illustrationer.

Kloning af transgen

Når man skal til at genmodificere, skal man bruge sit konstrukt i mange kopier. Der findes flere måder, hvorpå man kan "klone" et gen, dvs. fremstille en masse identiske kopier af det. En måde er at indsætte genet i et specielt ringformet bakteriekromosom, som kaldes et plasmid... Læs mere og se illustrationer.

Hvorfor modvirker antibiotika plantecellers vækst?

Evolutionært mener man, at grønkorn oprindelig - da de første planter opstod for mange millioner år siden - har været bakterier, der tog bo inden i andre celler som en form for indre symbiont ("endosymbionteorien"). Derfor ser man, at de samme stoffer, antibiotika, der kan hæmme bakteriers vækst, også kan blokere for chloroplasters, og dermed planters funktion.

Planters hormoner

Planter styrer i vidt omfang deres vækst ved hjælp af hormoner, lige som andre flercellede organismer. Et velkendt eksempel på dette er, at planters vækstpunkter ("spidsen af planten", hvor der udvikles nye blade og stængler mv.) producerer auxiner, der hæmmer væksten af sideskud. Så snart man skærer vækstpunktet af, begynder de skud, der sidder ved foden af sidegrene eller blade at skyde. Ved hjælp af denne "vækstpunkt-dominans" kan planten undgå ukontrolleret vækst. Prøv selv at nippe spidsen af på en basilikumplante, og se hvordan hjørneskuddene skyder frem i løbet af nogle dage!