EN / DA
Miljø og bæredygtighed

Forskere vil udnytte fødevarepotentialet i 400.000 vilde plantearter

Verdens fødegrundlag er afhængigt af sølle et par hundrede ud af klodens omtrent 400.000 plantearter. Nu vil danske forskere kigge dybt i den genetiske værktøjskasse for at udnytte flere planter, end vi gør i dag. I naturen findes planter med mere attraktive egenskaber end dem, som vi har domesticeret over tusindvis af år, siger forsker.

Af alle naturens 400.000 mulige plantearter har mennesker valgt af gøre kommercielt brug af sølle 200 af dem, fra hvede og salat til ærter og kål.

Mange af de domesticerede planter mangler dog nogle karakteristika, som kunne gøre dem endnu mere attraktive.

Det kan være tørkeresistens, evnen til at trække kvælstof ud af atmosfæren eller være flerårige, så landmænd ikke hvert eneste år skal igennem den omkostningstunge proces at så, gøde, høste og afhænde afgrøderne.

Netop de egenskaber vil danske forskere forsøge at få frem i fremtidens afgrødeplanter.

”Der er en stor gevinst at hente i naturen, som vi slet ikke udnytter, fordi vores plantefødevarer er baseret på en lille gruppe skrøbelige planter, som vi har indavlet på i tusindvis af år, så de i dag slet ikke har samme modstandskraft som mange af planterne i naturen. Hvis vi i fremtiden vil have planter, der kan modstå klimaforandringerne og samtidig sikre, at alle i verden får nok mad, er vi nødt til at se på de muligheder, som ligger i naturen,” fortæller professor Michael Broberg Palmgren fra Institut for Plante- og Miljøvidenskab ved Københavns Universitet.

Novo Nordisk Fonden har tildelt Michael Broberg Palmgren en Challenge Programme-bevilling til over de næste 6 år at realisere drømmen om at gøre semi-domesticerede eller endda vilde planter til bedre afgrøder.

Flere grunde til at udforske vilde planter i jagten på nye afgrøder

Kernen i det store forskningsprojekt er bæredygtighed.

Bæredygtighed kan forstås på forskellige måder, og landbruget kan gøres bæredygtigt på flere måder ved:

• at bruge mindre eksterne ressourcer som gødning og vand;

• at bruge færre sprøjtegifte;

• at bruge færre maskiner i arbejdet med afgrøderne; og

• at lagre mere kulstof i jorden.

Her er det interessant, at naturen allerede indeholder planter eller planteegenskaber, der kunne gøre landbruget mere bæredygtigt:

• Mange vilde planter, som er i symbiose med bakterier, trækker kvælstof direkte ud af atmosfæren.

• Mange vilde planter har giftige blade, hvilket overflødiggør behovet for sprøjtegifte.

• Mange vilde planter er flerårige, hvilket i landbruget ville fjerne en stor del af det maskinelle arbejde.

• Mange vilde planter, især flerårige, har dybe rodsystemer eller store stammer, der trækker kulstof ud af atmosfæren og lagrer det.

”Det gode er, at hvis vi vil fremelske nogle misundelsesværdige egenskaber i vores afgrødeplanter, skal vi faktisk ikke opfinde dem fra bunden af. De findes allerede ude i naturen. Vi skal bare finde ud af, hvordan vi udnytter dem,” forklarer Michael Broberg Palmgren.

Ærter kan trække kvælstof ud af atmosfæren

Michael Broberg Palmgren er langt fra den første til at skele til vilde planter i jagten på bedre afgrøder.

I mange år har planteforædlere og landmænd haft et godt øje til eksempelvis bælgplanter som ærter og bønner.

Ærter og bønner lever i symbiose med bakterier, der trækker kvælstof ud af atmosfæren. Det vil sige, at bakterierne forsyner bælgplanterne med det livsvigtige ernæringsstof kvælstof i bytte for sukker.

Denne egenskab vil være nyttigt i andre afgrøder end bælgplanter, eksempelvis i vores kornsorter, hvor man i dag bruger store mængder kvælstofgødning.

Det kvælstof fra kvælstofgødning, som ikke bliver suget op af planterne, havner i grundvandet.

Problemet er blot, at alle forsøg på at overføre denne specielle egenskab fra bælgplanter til andre planter indtil videre har slået fejl.

”Det har vist sig, at det ikke er så let at forbedre naturen, som nogle måske troede. Man har været naiv og har troet, at et gen bare kunne flyttes fra den ene plante til den anden, og det så var det. I dag ved vi, at flere hundrede gener kan være involveret i at styre en avanceret egenskab, og hele reguleringen af generne skal også følge med, så det er et vanvittigt komplekst system, som naturen har brugt millioner år på at udvikle. Dét er meget svært at lave i laboratoriet eller forædle sig frem til, hvis man overhovedet kan,” siger Michael Broberg Palmgren.

Flerårige græsser er mere attraktive som kornsorter

En anden egenskab, som planteforædlere og landmænd gerne vil have i deres afgrøder, er flerårighed.

Kornsorter som hvede, byg, rug og majs er alle sammen etårige.

Landmanden skal så frøene om foråret og høste om efteråret. Derefter dør planten, og resterne skal pløjes ned i jorden, hvorefter landmanden starter forfra året efter.

Derudover rækker de etårige planters rødder ikke så langt ned i jorden. Det gør dem mere sårbare, når der opstår tørke, og adgangen til vand ligger mere end en meter under jordoverfladen.

Så har de kun adgang til næringsstoffer i den øverste meter af jordlaget, og alt den gødning, som siver længere ned, forsvinder udenfor planternes rækkevidde.

Disse problemer slås de flerårige græssorter ikke med.

De skal ikke starte forfra hvert eneste år, men kan bare producere nye korn fra de eksisterende strå.

De har på grund af deres længere levetid rødder, der rækker op til 4 meter ned i jorden. Det giver dem adgang til flere næringsstoffer og vand i tørketider, og de kan opsnappe næringsstoffer, som ellers ville havne i grundvandet, ligesom de også er mindre udsatte, når regnen holder sig væk i for lang tid ad gangen.

Planteforædlere må opgive

Det interessante er også, at halvdelen af alle græsarter er flerårige.

Mennesker er ved et mere eller mindre utilsigtet tilfælde kommet til kun at udvælge etårige planter som basis for de domesticerede kornsorter.

Planteforædlere har dog siden 1930'erne drømt om at gøre hvede til en flerårig kornsort, men ligesom med bælgplanternes kvælstoffiksering har det vist sig at være en indtil videre umulig opgave at gøre den etårige plante flerårig.

”Problemet er, at den genetiske pakke til at gøre en etårig plante flerårig simpelthen kan være for stor og kompleks til, at den bare lige kan overføres med planteforædling eller moderne genteknologi. I nogle tilfælde har en flerårig plante kunnet krydses med en etårig og har fået flerårigt afkom, men det er aldrig lykkedes for eksempelvis hvede,” fortæller Michael Broberg Palmgren.

Ingen grund til at forsøge at forbedre eksisterende afgrøder

Nytænkningen i det projekt, som Michael Broberg Palmgren står i spidsen for, er, at vi slet ikke skal tænke i at forbedre eksisterende afgrøder ved at forsøge at give dem nye egenskaber, som de aldrig – eller i hvert fald i mange tusinder år – har haft.

I stedet skal vi vende blikket mod de 400.000 planter, som findes i naturen, og som med et skub i den rigtige retning kan blive til nye afgrøder med attraktive egenskaber.

”Det er vores koncept. I stedet for at holde fast i disse 200 planter og forsøge at forbedre dem på de steder, hvor de ikke dur, skal vi kigge blandt de andre 400.000 plantearter efter de egenskaber, vi er interesseret i. Så skal vi forædle dem fra bunden af. Vi skal starte helt forfra,” forklarer Michael Broberg Palmgren.

Mutation i ét gen gør tomater store

Proof-of-concept-studier med tomater har allerede vist et eksempel på det, som Michael Broberg Palmgren vil gøre med en lang række afgrøder.

Vilde tomater er ikke mere end små bær på ét gram på en slyngplante.

Mængden af peptidet CLAVATA3 i planten regulerer bærrets vækst. CLAVATA3 bremser celledelingen, så hvis der er meget CLAVATA3 til stede i tomatplanten, vokser bærrene ikke så meget. Hvis der til gengæld ikke er meget CLAVATA3 i planten, vokser tomaterne sig store.

Alle kommercielt tilgængelige tomatsorter fra cherrytomater til bøftomater har mutationer i CLAVATA3-genet, hvilket gør, at de laver mindre af peptidet. Resultatet er, at tomaterne vokser sig større end deres vilde modstykker.

I tre proof-of-concept-studier her, her og her brugte forskere genredigeringsteknologien CRISPR til at redigere den gensekvens, der regulerer CLAVATA3-genet. De vilde tomatplanter udviklede med det samme store tomater frem for små bær.

”Den indsigt, som vi har i plantefysiologi og plantegenetik, viser, at der ofte kun skal meget få mutationer til for at gøre en vild plante til en domesticeret plante. Forsøget med tomatplanten viste, hvor let det egentlig kunne gøres. Man indførte ikke et mirakel i plantens genetik, men ødelagde bare noget, så planten rent faktisk blev svækket en smule, eftersom den nu skal bruge flere ressourcer på at lave unødigt store bær, som vi kan have fornøjelse af at spise,” siger Michael Broberg Palmgren.

Ris skulle mutere for ikke at smide kornene i vandet

Eksemplet med tomatplanten er ikke enestående.

Det samme gælder alle kornsorter, som på grund af ganske få mutationer har fået egenskaber, der har gjort dem interessante for mennesker at dyrke.

Et eksempel er risplanten.

Ris vokser i vand, og vilde ris er fra naturens side udviklet til meget let at smide riskornene, så de kan falde ned i vandet, spire og blive til nye risplanter.

Hvis man glider hånden hen over en vild risplante, falder alle riskornene af. Det er ikke særligt praktisk for risbønder.

Samme problemstilling gælder vild hvede og andre kornsorter. De er også fra naturens side udviklet til hurtigt at smide kornene, og så er aksene skrøbelige og knækker lettere.

Både for risene og de andre kornsorter gælder det dog, at domesticering gennem tusinder af år har fremelsket mutationer i deres genomer, som gør, at kornene sidder bedre fast, og at aksene ikke knækker.

”Igen er det defekter i vilde planter, som har gjort dem interessante at dyrke, fordi de nu kan høstes og give et større udbytte. Måske kræver det ikke flere end 10 til 15 mutationer i generne for at komme fra en vild kornsort til én, der i det store hele er domesticeret,” siger Michael Broberg Palmgren.

Vil introducere mutationer i hvedegræs og gøre den egnet som afgrøde

Det bringer os til den forskning, som Michael Broberg Palmgren sammen med sine kollegaer har kastet sig over.

De genteknologiske fremskridt er i dag kommet til et punkt, hvor genomsekventering afslører planternes inderste hemmeligheder.

Sidste år blev genomet af Thinopyrum intermedium (intermediate wheatgrass på engelsk) kortlagt. Det er et vildt præriegræs, som også betegnes som hvedegræs på dansk.

Hvedegræs er på mange måder interessant, fordi det ligner hvede på rigtig mange punkter.

Der er dog nogle små forskelle.

Hvedegræs er flerårig, så dens rødder rækker flere meter længere ned i jorden end hvedes, og den skal ikke plantes på ny hvert eneste år.

Til gengæld er dens lange korn meget tynde og ikke særligt attraktive for landmand.

Tanken i den forskning, som forskerne fra Københavns Universitet har kastet sig over, er derfor at bruge den viden, der er om de mutationer, som til at starte med gjorde vild hvede attraktiv at dyrke, til efterfølgende at introducere de samme mutationer i hvedegræs.

”Hvede og hvedegræs er genetisk meget ens, så de gener, som forårsager de attraktive kvaliteter i hvede, er næsten identisk i hvedegræs. Planen er derfor at udvikle hvedegræs med de samme små ændringer i generne som dem, der opstod i hvede, da dette græs blev forædlet,” forklarer Michael Broberg Palmgren.

Hvede er som et muldyr, der parres med en zebra

Faktisk har forskere siden 1970'erne forsøgt at forædle nogle mere attraktive egenskaber ind i hvedegræs – dog uden megen succes.

Med den viden, som forskerne har i dag, kan de se, hvorfor det ikke er lykkedes endnu.

Hvedes ophav er hele tre meget nærtstående arter, som er smeltet sammen på et tidspunkt i forhistorien. Det samme gælder for hvedegræs.

Det svarer lidt til at parre en hest med et æsel og så få et muldyr, som man parrer med en zebra. Det kommer der noget af et gadekryds ud af.

Generne fra alle de tre forfædre findes stadig i hvede, og hvis eksempelvis genet for let at slippe kornene skal ødelægges, skal det ikke bare muteres ét sted, men hele seks steder (tre arter gange to gener fra hver art – ét fra ”far” og ét fra ”mor”).

”Hveden er allohexaploid, så hvis man gennem traditionel forædling vil introducere de samme egenskaber i hvedegræs, som man har i hvede, skal man være heldig at introducere en ødelæggende mutation i alle seks gener på samme tid, før man ville kunne se det på planten. Det er noget af et mirakel, som skal indtræffe, og derfor er det endnu ikke lykkedes for planteforædlere at gøre hvedegræs til den nye form for hvede,” forklarer Michael Broberg Palmgren.

Lupin kan erstatte importen af soja fra Sydamerika

I forskningen har Michael Broberg Palmgren og hans kollegaer fokus på seks planter, som de målrettet vil manipulere til at få kommercielt attraktive egenskaber.

De vil indføre de samme mutationer i hvedegræs (arbejdet udføres af Michael Broberg Palmgren), som findes i hvede både gennem traditionelle forædlingsforsøg og ved hjælp af genredigeringsteknologien CRISPR.

CRISPR-arbejdet sker under ekspertise fra professor Caixia Gao fra Chinese Academy of Sciences og Københavns Universitet.

”Jeg tror, at vi kan komme meget tæt på at skabe en rigtig hvede, som så vil være flerårig. Vi skal vise, at det kan lade sig gøre ved at mutere de rigtige gener, og så kan planteforædlerne samle op derfra og forsøge at introducere mutationerne igennem traditionelle forædlingsforsøg,” siger Michael Broberg Palmgren.

To andre vilde planter, som forskerne vil gøre kommercielt mere attraktive, er quinoa (udføres af lektor Rosa Lopez-Marquez fra Københavns Universitet) og lucerne (udføres af lektor Stephan Wenkel fra Københavns Universitet).

De vil også gøre lupin (udføres af lektorerne Fernando Geu-Flores og Hussam Hassan Nour Eldin fra Københavns Universitet) spiselig.

Lupin er særligt interessant, fordi det er en bælgplante med mange af de tidligere nævnte attraktive egenskaber. Vigtigst af alt kræver den ikke kvælstofgødning, for den kan selv trække kvælstof ud af atmosfæren.

Lupinfrøene har et meget højt indhold af protein, hvilket gør dem meget interessante som foder til husdyr. I dag bruges i stor stil sojabønner, der er importeret fra Sydamerika, men landmænd i Danmark ville formentlig hellere bruge lokal lupin, hvis det ikke lige var fordi, lupinbladene er giftige.

”Med lupin drejer det sig fra vores side om at klippe giften ud af frøene, men beholde den i bladene. Hvis vi klipper giften ud af bladene, skal lupinen sprøjtes med pesticider for ikke at blive spist af snegle og andre dyr, og så ryger hele ideen. Derfor vil vi udelukkende forsøge at fjerne giften fra frøene, og så er det vigtigt at pointere, at lupin jo er rigtig nem at få til at vokse herhjemme,” fortæller Michael Broberg Palmgren.

Vild byg kan vokse på en sten

Den femte plante, som forskerne vil arbejde med, er byg (udføres af professor Henrik Brinch-Pedersen fra Aarhus Universitet).

Den byg, som landmænd i dag har på markerne, er ikke særligt robust, og den skal passes og plejes for at få et meningsfyldt udbytte ud af den.

Der findes dog en vild byg (Hordeum spontaneum), som dyrkes i eksempelvis Etiopien.

Den vilde byg kan praktisk talt vokse på en sten, og så er den robust over for skadedyr. Desværre er udbyttet fra den vilde byg ikke særligt imponerende, men det kan det sikkert blive, hvis forskerne får introduceret de rigtige mutationer i den.

”De fleste af vores afgrødeplanter har ikke bare fået introduceret nogle enkelte mutationer, som gør dem attraktive at dyrke. De har også fået introduceret skadelige mutationer, så de ikke er så robuste som deres vilde modstykker. Alle afgrødeplanter kan sagtens kaldes for krigsinvalider, fordi deres arvemasse indeholder mutationer, der har svækket dem. De planter, som vi vil frem til, har kun de mutationer, der er attraktive for os, og ikke dem, som gør planterne svage,” forklarer Michael Broberg Palmgren.

Kartofler skal gøres mere modstandsdygtige over for sygdomme

Den sidste plante, som forskerne vil forsøge at forbedre, er kartoflen (udføres af lektor Kim Hebelstrup fra Aarhus Universitet).

Kultiverede kartofler er meget modtagelige over for forskellige sygdomme, hvilket som eksempel blev illustreret på allerbedste vis under kartoffelsygen i Irland i 1845 til 1849, hvor ægsporesvampen Phytophthora infestans ødelagde kartoffelhøsten i flere år.

12 procent af den irske befolkning døde af sult, og omkring 1 million mennesker emigrerede.

Vilde kartofler er til gengæld meget modstandsdygtige, men laver blot nogle små knoldede kartofler, der ikke er værd at skrive hjem om.

Forskerne vil introducere mutationer i vilde kartofler fra Sydamerika for at lave mere modstandsdygtige kartoffelplanter med store og velsmagende kartofler.

”For alle seks planter vil vi lede efter de gener, som i de forædlede planter er muteret med et gavnligt udfald. Så vil vi lede efter det samme gen i de vilde planter og introducere de samme mutationer. Konceptet er, at vi faktisk ikke skal skabe noget. Vi skal bare ødelægge,” siger Michael Broberg Palmgren.

Vil åbne porten til at gøre 400.000 planter spiselige

Michael Broberg Palmgren vil ikke love at lykkes, men han mener, at hvis forskerne kan få succes med bare én af de seks planter, vil det være en kæmpe succes, for så vil de have vist vejen til, hvordan man potentielt set kan gøre 400.000 planter spiselige.

Det vil være et anvisende proof-of-concept.

Hvordan vil disse planter smage? De er jo trods alt ikke udvalgt ud fra deres kulinariske muligheder.

Men her forklarer Michael Broberg Palmgren, at dét er det mindste problem.

Meget få domesticerede planter smager, som de fra naturens side er skabt til at smage.

Agurkeskræller var tidligere meget bitre, og grapefrugten var også meget mere bitter for bare 30 år siden. Her har planteforædlere været på spil og langsomt fremavlet de smage, som forbrugerne har efterspurgt.

Det samme kan de gøre med de planter, som Michael Broberg Palmgren sigter mod at udvikle.

”Husk, at mange planter er avlet ud fra et ønske om større udbytte og ikke nødvendigvis bedre smag. Den vilde tomat er som eksempel meget mere aromatisk end de domesticerede, men den har vi bare gjort større og større på bekostning af aromaen. Men aromaen behøver vi ikke at miste, hvis vi er mere præcise i de mutationer, som vi introducerer i planterne,« siger Michael Broberg Palmgren.

Traditionel forædling er som at operere en blindtarm med en sav

Det er klart, at i en tid, hvor genmodificerede fødevarer er fyord, vil mange kvie sig ved tanken om at lave nye afgrøder med CRISPR.

Her skal man ifølge Michael Broberg Palmgren dog lige sørge for at holde øjnene på bolden.

Traditionel forædling introducerer en hel masse vilkårlige mutationer i planterne., hvoraf kun nogle få forårsager det, som vi ønsker af planterne. Det vil sige, at de planter, som vi hver dag propper i munden, er resultatet af mange mutationer, som ingen har styr på eller har været herre over.

”Traditionel forædling er som at lave en blindtarmsoperation med en sav. En hel masse andre ting ødelægges samtidig,” siger Michael Broberg Palmgren.

At bruge et præcisionsværktøj som CRISPR til at introducere en mutation vil derimod være planteforædlingens svar på en skalpel ved blindtarmsoperationen. Man foretager kun de snit, der er nødvendige.

”Planteforædling med genteknologier er desværre gået helt i stå, så vi er stadig ikke kommet videre, end de planter, der er blevet udviklet til at være modstandsdygtige over for glyphosat og den slags. Men med al den viden, vi i dag har om planteforædling og plantegenetik, kan vi lave et meget mere bæredygtigt landbrug, som i langt højere grad vil beskytte naturen og dens ressourcer,” siger Michael Broberg Palmgren.

Accelerating the domestication of new crops: feasibility and approaches” er udgivet i Trends in Plant Science. Michael Broberg Palmgren modtog i 2019 en Novo Nordisk Foundation Challenge Programme-bevilling til projektet ”NovoCrops: Accelerated Domestication of Resilient Climate Change–Friendly Plant Species".

Michael Broberg Palmgren
Professor
Nine plant species provide almost all the world’s food intake, and all are refined. By comparison, there are about 380,000 wild plant species. Nature therefore offers us huge genetic variation that we do not exploit today. Instead of examining how to make the refined plants more robust, our research addresses how to harness the hardiness of wild plants as a starting-point to make crops that are resilient to diseases and extreme weather events. Focus in on the draught and salt stress resilient plant quinoa and the perennial grass intermediate wheatgrass, an emerging grain crop. In another line of research, we study the structure, function and regulation of primary active transport across membranes. Our major focus is P-type ATPase pumps that form a large superfamily in all forms of life. P-type ATPases pump cations (like essential metals, calcium and protons) and phospholipids across membranes. Well-characterized members are essential for many basic functions in cells and we aim at assigning physiological function to other less characterized pumps. All members of this family form a phosphorylated reaction cycle intermediate, hence the name P-type, and their evolution raises unanswered questions that we try to answer. The pumping mechanism of these biological nanomachines and how pumping is regulated is also investigated