Lucerne er en meget vigtig foderafgrøde i hele verden og værdsættes af både landmænd og husdyr, da planten er fuld af næring og meget hårdfør. Men lucerne kan være svære for dyr at fordøje, og tidlig blomstring reducerer plantens evne til at producere bladgrønt. Forskning viser nu vejen til at skabe en frodigere og mere fordøjelig lucerne.
Lucerne er en vigtig foderafgrøde. Ifølge Verdensbanken eksporteres der internationalt for mere end 329 millioner USD i 2020. Det er en favorit for både landmænd og husdyr, da planten er næringsrig, hårdfør og hjælper med at genoprette jordkvaliteten som en nitrogenfikserende bælgplante.
Men ligesom andre plantearter til landbrug og gartneri har lucerne dobbelt så mange kromosomer, som mennesker har, hvilket gør dem vanskelige at forbedre gennem selektiv avl. Nuværende stammer af lucerne kan være svære for dyr at fordøje, og tidlig blomstring reducerer plantens evne til at producere bladgrønt.
Forskning fra Københavns Universitets NovoCrops Center udpeger nu nye genetiske mål for at forsinke blomstring – og skabe stammer af frodigere, mere fordøjelig lucerne. Hvis det lykkes, kan teknikken føre til mange forbedrede produkter nede hos købmanden, lige fra fyldigere jordbær til billigere quinoa.
Et anlæg med tre reservedæk
Michael Palmgren, professor ved Københavns Universitets Institut for Plante- og Miljøvidenskab, forklarer, at udvikling af bedre afgrøder i virkeligheden er sabotagens sarte kunst.
"Normalt når du 'forbedrer' afgrøder, fortæller teorien os, at man skaber et funktionstab," forklarer Palmgren. "Du undgår en funktion, der er gavnlig i naturen, men ikke så god for landmanden."
Lucerne – også kendt som alfalfa – er svær at "sabotere" på grund af enorm genetisk gentagelse, siger han. De fleste dyr er diploide, hvilket betyder, at de har to sæt kromosomer, et fra hver forælder. For at introducere et recessivt træk – for eksempel krøllet hår hos katte – har du derfor brug for to kopier af det ønskede gen, da en enkelt 'normal' version kan kompensere for funktionsfejlen af et ændret gen.
"I en diploid plante eller et dyr vil jeg kalde det et reservedæk – hvis det ene hjul er punkteret, så har du et ekstra her, du kan indsætte i stedet."
På grund af en kromosomal fordoblingsbegivenhed i sin tågede evolutionære fortid er lucerne autotetraploid. Den har altså fire næsten identiske kopier af hvert gen – altså hele tre reservedæk. "Det betyder, at det ikke er nok at fjerne funktionen af en allel, du skal ændre en anden allel, en tredje allel," siger Palmgren.
En anden hovedpine er, at lucerne er en "obligatorisk udkrydsende" plante, hvilket betyder, at den ikke kan selvpollinere – processen, hvor en plante befrugtes med sin egen pollen for at sikre, at en ønsket egenskab overføres til næste generation.
CRISPR-Cas-9
Alfalfas genetiske kode blev først sekventeret i 2020. "I dag koster det kun et par tusinde euro at sekventere hele det komplicerede genom," siger Stephan Wenkel, lektor i plantebiokemi ved KU og medforfatter til artiklen. "For ti år siden ville det have kostet måske millioner."
Bevæbnet med det fulde lucernegenom overvejede forskerne, hvordan man kunne forbedre lucernes kvalitet og udbytte ved at ændre blomstringsmønstre. "Landmændene har trods alt brug for frøene, så fuldstændig fjernelse af blomstringen er ikke den rette vej," siger Maurizio Junior Chiurazzi, ph.d.-stipendiat i plantebiokemi ved Københavns Universitet og hovedforfatter af undersøgelsen.
For at forsinke blomstringen identificerede forskerne to potentielle cellulære mål, der kunne sabotere lucerne til landmandens fordel.
MikroRNA-mål
Chiurazzi og hans team foreslår at bruge det genetiske værktøj CRISPR-Cas-9 til at forstyrre specifikke mikroRNA'er – små RNA-stykker, der kan forstyrre instruktioner fra cellens kerne.
DNA kommunikerer med cellen via messengerRNA-skabeloner, som instruerer cellens maskineri i, hvilke proteiner der skal bygges på. MikroRNA'er binder sig til de steder på messengerRNA'et, som er spejlbilleder af deres egen genetiske kode, og markerer dermed messengerRNA-molekylet til ødelæggelse, så den egenskab, messengerRNA-protein koder for, ikke kommer til udtryk.
Forskerne retter blikket mod AP2-genfamilien, en gruppe gener, der styrer blomstringstiden i en række forskellige planter lige fra roser til modelorganismen klippekarse. AP2 fungerer som bremser på blomstringen og undertrykker andre gener, der vil igangsætte processen. Men ved at ændre bindingsstederne for AP2's messengerRNA'er en smule, mener forskerne, at de kan vende udviklingen til fordel for AP2, hvilket forsinker blomstringen.
Mikroprotein-mål
Derudover undersøgte forskere såkaldte mikroproteiner kaldet CONSTANS/CONSTANS-LIKE-transkriptionsfaktorer, som menes at være involveret i blomstringstiden og reguleringen af grenlængde.
Mikroproteinerne arbejder i par. Hver enkelt er "halvdelen af transkriptionsfaktoren," forklarer Wenkel. De binder sig sammen i den ene ende – kaldet B-box-domænet – mens CCT-domænerne i den anden låser sig fast på en DNA-streng "som en klemme."
Igen ved at bruge CRISPR-Cas-9 forsøger forskerne at slette generne for CCT-domænerne, hvilket mere eller mindre fjerner halvdelen af mikroproteinet. Hvis en eller flere af lucerneplantens fire kromosomer ændres på denne måde, vil nogle af mikroproteinerne blive produceret som B-box-domænet, hvilket gør, at de stadig er i stand til at binde sig til uændrede mikroproteiner, hvilket også gør dem ubrugelige.
De ukomplette transskriptionsfaktorer er på den måde som en saks med håndtagene intakte, men kun et blad.
Effekt for det større felt
Forskerne er optimistiske over, at disse ændringer kan producere dominerende træk. Hvis deres teorier fører til yderligere forskning, er målretning af mikroproteiner og mikroRNA "en strategi, der kunne være universel for komplicerede genomer," siger Wenkel.
Og der er ingen mangel på komplicerede genomer i landmandens mark – ligesom lucerne har kartofler også fire kopier af hvert gen, og jordbær og sukkerrør har otte.
Men de mange blandede reservedæk fra højploidy-afgrøder har også deres fordele. "Med højere ploiditet har du også nogle gange mere udbytte," forklarer Wenkel, og planten kan nemmere overvinde skadelige mutationer.
"Du har også større organstørrelse," tilføjer Chiurazzi med henvisning til en plantes løv, blomster eller frugt.
"Du har en nem plante" i lucerne, afviser Palmgren Chiurazzi med et grin. "Vi arbejder med hvedegræs, og de er hexaploide" – hvilket betyder, at de har det tredobbelte antal af den normale kompliment af genetisk materiale.
