genmodifiserte planter

Kombinasjon av gener ved tradisjonell krysning og seleksjon blant avkommet er en tidkrevende og omstendelig prosess, hvor uønskede egenskaper må krysses ut igjen ved gjentatt tilbakekrysning.

Ved hjelp av genteknologi settes derimot bare de ønskede genene inn i planten. Dette gir mulighet til å overføre spesifikke gener som hadde vært umulig ved tradisjonell krysning.

Mange kulturplanter er polyploide, og det er derfor spesielt krevende å endre bare noen få av egenskapene ved vanlig krysning.

Hermetiske tomater fra den genmodifiserte Flavr Savr var i 1994 det første genmodifiserte planteproduktet som ble lansert. Det ble trukket tilbake i 1997.

Tanken var å forsinke modningsprosessen samtidig som man beholdt naturlig farge og smak på tomatene. Når tomater modner nedbrytes pektin i celleveggene. Pektin holder på og binder vann, men når det brytes ned blir tomaten saftig og rennende. De genmodifiserte tomatene var mer tyktflytende grunnet større pektininnhold. Som en ekstra bonus var hermetikkboksene med Flavr Savr større.

Genmodifiserte tomater ble laget med antisense-RNA-teknikk. Enzymet polygalakturonase bryter ned pektin når tomaten modner. Forskerne satte inn et gen fra en annen tomatsort som kodet for polygalakturonase. Man skulle nå forvente at enda mer pektin blir nedbrutt og tomaten blir enda mer flytende siden et ekstra gen er satt inn, men det motsatte skjer: Den genmodifiserte tomaten skrur av sin egen produksjon av polygalakturonase.

DNA inneholder to tråder, kalt sense og antisense. For å kunne lage proteiner i planten kopieres DNA-antisense-tråden til sense-budbringer-RNA (mRNA). Antisense-RNA er et transkript komplementært til det endogene mRNA, binder seg til dette og danner dobbelttrådet RNA som ikke blir uttrykt. Derved stopper tomatens egen produksjon av polygalakturonase.

RNA-interferens ble først oppdaget ved innføring av en ekstra kopi av et gen som lager purpurfarge i blomsten i Petunia. Formålet var å få andre fargekombinasjoner. Fargen er bestemt av innholdet av forskjellige typer antocyaniner. Deler av den genmodifiserte petuniablomsten blir som forventet mer purpurfarget, men det skjer ikke i alle cellene. I andre deler, hvor genaktiviteten er skrudd ned i stedet for opp, blir blomsten hvit.

Man setter inn gener som man forventer vil få planten til å lage mer antocyaniner, men det motsatte skjer, blomstene blir delvis hvite og stopper å lage antocyaniner. Fenomenet med redusert uttrykk av et gen hvis en ekstra kopi av genet blir satt inn kalles kosuppresjon eller RNA-interferens, og skyldes en naturlig mekanisme i planten til beskyttelse mot fremmed DNA. Restriksjonsenzymene som brukes innen genteknologi har på samme vis som naturlig oppgave å beskytte bakteriene mot fremmed DNA fra andre prokaryoter og bakterievirus (bakteriofager).

Ugress i en åker gir redusert avling, og de fleste av verdens kornåkre blir sprøytet med herbicider som er virksomme mot tofrøbladet ugress. Kornslagene hører med til gressfamilien, og kveke i samme plantefamilie er et eksempel på ugress som dermed blir vanskelig å fjerne.

Sprøytemiddelet med varemerket Roundup inneholder virkestoffet glyfosat, og er et mye brukt systemisk bredspektret herbicid som vanligvis dreper alle planter. Systemiske sprøytemidler spres rundt i hele planten.

Glyfosat hemmer enzymet EPSPS i syntesen av de aromatiske aminosyrene fenylalanin, tyrosin og tryptofan. I tillegg til å inngå i protein bruker plantene disse aminosyrene til å lage en lang rekke innholdsstoffer, inkludert lignin i celleveggene.

Det er laget genmodifiserte Roundup Ready raps, soyabønner, mais, ris, bomull og sukkerbete. De glyfosattolerante genmodifiserte plantene inneholder et EPSPS-gen fra bakterier som tåler glyfosat, samt et gen som gjør at planten oksiderer og bryter ned glyfosatet.

Ugressmiddelet glufosinat (fosfinotricin) har kjemisk likhet med aminosyren glutamat og hemmer enzymet som assimilerer (binder) nitrogen i form av ammonium inn i organiske forbindelser i plantene. Derved blokkeres nitrogenassimilasjonen, og plantene dør av nitrogenmangel. Fosfinotricin ble opprinnelig isolert og oppdaget i en slekt aktinobakterier, Streptomyces, som kan lage mange hundre forskjellige typer antibiotika. Et av dem er bialafos som inneholder fosfinotricin. Noen bakterier kan avgifte fosfinotricin ved acetylering, og bar-genet fra bakterier som koder for dette enzymet er satt inn i planter. Genmodifiserte planter med bar-genet som tåler å bli sprøytet med glufosinat selges under varemerket LibertyLink.

Genmodifisering skjer ved å gripe inn i biosynteseveier som er spesifikke for plantene slik at stoffskiftet hos mennesker blir minst mulig påvirket. Det er de samme firmaene som lager sprøytemidlene som også selger de genmodifiserte plantene. De nevnte herbicidene dreper alle plantene bortsett fra dem som inneholder en genmodifisering.

Bakterien Bacillus thuringiensis lager et naturlig krystallprotein, Bt-toksin, kodet av cry-gener. Denne bakterien brukes til naturlig bekjempelse av insektlarver innen økologisk landbruk. Imidlertid er det også blitt laget genmodifiserte planter med cry-gen hvor hele planten lager Bt-toksin, for eksempel Bt-mais og Bt-bomull. Et av ankepunktene mot genmodifiserte Bt-planter er at Bt-toksin også kan drepe larver av nytteinsekter og pollinatorer. Det har blitt uttrykt bekymring om hvorvidt kontinuerlig påvirkning av Bt-toksin virker som et kontinuerlig seleksjonspress og gir insekter med toleranse for Bt-toksin.

F1-hybrider lages ved å krysse to rene, høytytende foreldrelinjer med gode egenskaper. F1-hybriden får bedre egenskaper enn begge foreldrene, kalt heterose, krysningsfrodighet eller hybridstyrke, et fenomen studert av Charles Darwin. Siden hannblomstene må fjernes ved emaskulering hos den ene foreldrelinjen er det en arbeidskrevende prosess å lage F1-hybrider. En annen metode er å bruke hannsterile planter. Hybridmais kan lages ved bruk av naturlig hannsterile planter. En ny metode er å lage genmodifiserte hannsterile planter basert på proteinkomplekset barnase (en ribonuklease) og barstar fra bakterien Bacillus amyloliquefaciens. Hybridfrø er ofte kostbare, og fordelen for frøprodusentene er at det må kjøpes nytt frø hvert år, med tilsvarende ulempe for bøndene.

Vanlig stivelse består av amylose, og en greinet form av stivelse kalt amylopektin. Til industriell bruk har amylopektin bedre egenskaper enn amylose. Når stivelse varmes opp i vann endres den krystallinske strukturen og danner viskøse kjeder. Når temperaturen blir lavere blir væsken til en stiv gel og stivelsen virker som fortykningsmiddel. Tidligere ble amylopektin produsert fra waxy-mutanter av mais, men ingen vekst gir større avling per arealenhet enn poteter, og produksjonen av amylopektin kan økes betydelig med genmodifiserte waxy-poteter. Waxy-mutanter er også kjent fra ris, og gir en spesielt klebrig ris mye brukt i Asia. Amflora er en genmodifisert potet som lager stivelse med bare amylopektin, og ble i 2010 godkjent for bruk i Europa. Poteter er tetraploide, og uten genteknologi ville det vært svært vanskelig å lage denne potettypen.

Gyllen ris (Golden Rice) inneholder gulfarget betakaroten i opplagsnæringen. Genmodifisert ris har fått satt inn to ekstra gener for syntese av betakaroten, ett gen fra en bakterie og ett fra påskelilje. Betakaroten er provitamin A og brukes til å lage synspigmentet retinal i vårt øye. For mennesker som lever ensidig av ris kan A vitaminmangel lede til blindhet og død, spesielt blant barn. Ved å innføre Gyllen ris i dietten til disse menneskene, er målet å motvirke denne vitaminmangelen. Et av ankepunktene mot de genmodifiserte plantene er gener for antibiotikaresistens som brukes til å selektere og plukke ut de transformerte plantene. I gyllen ris har man etter bruk fjernet antibiotikaresistensgenene. Noen hevder at gyllen ris blir brukt som en trojansk hest for introduksjon av genmodifiserte planter på steder hvor de generelt møtes med stor skepsis.

Den grønne revolusjonen med utviklingen av korte sorter av hvete var basert på å endre aktiviteten til gener involvert i strekningshormonet gibberellin. Ved genmodifiseringen er det mulig å lage korte planter uten tidkrevende krysning. Etylen er et plantehormon som fremskynder aldring. Ved å blokkere for etylenvirkning kan genmodifiserte blomster og grønnsaker få økt holdbarhet. Planter er utsatt for angrep av sopp og mange av soppmidlene (fungicider) som brukes i land- og hagebruk er svært giftige. Det arbeides med å utvikle genmodifiserte planter som er resistente mot soppsykdommer, og formålet er å redusere bruk av giftige sprøytemidler. Mot virussykdom finnes det ikke noe sprøytemiddel og den eneste måten å beskytte seg mot disse er planter med resistensgener.

Mange er usikre på om genmodifiserte organismer kan påvirke helsen til dyr og mennesker, og om de gir utilsiktede og uønskede virkninger på økosystemene. Et generelt problem er at de genmodifiserte plantene gir et seleksjonspress som gir endringer i økosystemene ved biologisk evolusjon.

Andre bekymringer har vært utvikling av «superugress» som ikke lar seg drepe av vanlige sprøytemidler, og redsel for spredning av gener for antibiotikaresistens. Man har også lurt på om de genmodifiserte plantene kan inneholde proteiner som kan gi allergiske reaksjoner

Hybridisering med ville slektninger der hybriden setter frø og får levedyktig avkom er et av problemområdene. Pollen fra genmodifiserte planter kan spre seg over lange avstander. Hvis slikt pollen gir krysning og levedyktig avkom er det vanskelig å holde avlinger og produkter fra genmodifiserte planter atskilt fra de ikke-genmodifiserte. Transformerte kloroplaster er av spesiell interesse siden disse vanligvis nedarves via morplanten, og transgenet blir således ikke spredd med pollen.

Flere saker har bidratt til forbrukerskepsis:

• Quist-Chapela-affæren: Forskerne David Quist og Ignacio Chapela gjennomførte i 2001 en studie av mais i Mexico, hvor de oppdaget spor av genmanipulert mais til tross for at dette var forbudt. Man frykter at genmanipulert mais vil ødelegge den store variasjonen av maisarter. Funnet ble tolket som at genmanipulerte planter spres over store avstander.
• Monsantos terminatorteknologi,
• Pusztai-affæren (1999),
• StarLink-mais (2000)
• merkebestemmelsene for genmodifisert materiale

Overføring av arvemateriale til en plante ved hjelp av bakterien Agrobacterium tumefaciens brukes for å lage transgene planter. Første trinn er å isolere genet som skal settes inn i planten. Det isolerte genet plasseres i en genkonstruksjon sammen med en reguleringssekvens (promoter) som gjør at genet uttrykkes, og en termineringssekvens som stopper transkripsjonen på riktig sted. Kloningsvektorene som bringer genkonstruksjonen inn i plantene inneholder et restriksjonssete hvor transgenet blir satt inn via genspleising. Restriksjonsenzymer kutter i nukleoidsekvensen, og enzymet DNA-ligase limer sammen sekvenser. Genkonstruksjonen blir overført til et plasmid eller DNA-vektor (genbærer) som deretter oppformeres i en bakterie. En kloningsvektor er ofte et plasmid, et lite stykke DNA som inneholder nødvendig informasjon til å kunne bli oppformert i bakterieceller.

Det rekombinante DNA-et tas opp i kompetente bakterieceller. Molekylær kloning vil si å oppformere like sekvenser med rekombinant DNA.

Stedet hvor transgenet blir satt inn i plante-DNA kan være tilfeldig, og det samme gjelder antall kopier av genet. Man trenger en markør for å finne igjen de plantecellene som har fått satt inn i genomet det eller de genene man ønsker. Til dette brukes markørgener som gir resistens (toleranse) mot antibiotika (som kanamycin) eller ugressmidler (glyfosat, glufosinat), slik at man kan identifisere de transformerte plantene. Bare planteceller som har fått satt inn transgenet overlever.

Transformerte genmodifiserte planter med rekombinant DNA blir laget med hjelp av et modifisert Ti-plasmid fra bakterien Agrobacterium tumefaciens. Dette er en bakterie som lever i jord og gir sykdommen krongalle når den kommer inn i sår på planter. Bakterien inneholder et sirkulært DNA-fragment, Ti-plasmid (tumorinduserende plasmid) med et stykke T-DNA (transport-DNA) som naturlig transformerer planter og blir tilfeldig satt inn i kjernegenomet når bakterien kommer inn i sår i planten. T-DNA kan i laboratoriet kobles sammen med gener som man ønsker skal inn i planten. Med et binært vektorsystem har man to plasmider, én med virulensgener og én som inneholder T-DNA med innspleiset DNA

En annen metode for å få fremmed DNA inn i planter er å bombardere plantedeler med mikroskopiske partikler med gull eller wolfram dekket av DNA. DNA-kulene skytes med en partikkelkanon med høyt trykk gjennom celleveggene og plasmamembranen. Inne i cellene frigjøres DNA som blir rekombinert med plantens eget DNA.

Teknikken er særlig brukt hos enfrøbladete planter siden det binære vektorsystemet med T-DNA er mest virksomt til å transformere tofrøbladete planter.

Ved elektroporering blir celler og DNA plassert i et elektrisk felt som åpner porer i plasmamembranen slik at DNA kommer inn i cellene.

Ved mikroinjeksjon fører man DNA-fragmenter eller plasmider inn i cellene via en kanyle bestående av et tynt glassrør.

CRISPR/Cas9 teknologien kan brukes både for å endre allerede eksisterende arvemateriale (som fører til dannelsen av genredigerte planter) eller for å introdusere fremmed arvemateriale (som fører til dannelsen av transgene planter).

CRISPR (klynge regulert-spredt korte repeterte palindromsekvenser, uttales krisper) / Cas9 (CRISPR assosiert protein 9) beskytter bakterier og arkebakterier mot fremmede nukleinsyrer fra bakteriofager (virus som angriper bakterier) eller uønskede plasmider (sirkulære nukleinsyrer som ikke er en del av bakterienes ordinære kromosom). CRISPR/Cas9 er en del av bakterienes ervervede immunsystem som de anvender for å kjenne igjen tidligere nukleinsyreangrep. De repeterte palindromene er atskilt av korte ikke-kodende sekvenser som har opprinnelse fra genomet til tidligere bakteriofagangrep. CRISPR/Cas9 lager dobbelttrådkutt i de fremmende nukleinsyrene og uskadeliggjør dem.

Systemet har store likhetstrekk med RNA-interferens (RNAi) hos eukaryoter. Man fant i bakteriens DNA uvanlige repeterte sekvenser med lik lengde, og regulert spredt i genomet med faste mellomrom. Bakterien tar vare på en liten bit av bakteriofagens gensekvens, plasserer det i sitt eget DNA som en hukommelse om virusangrepet, og bruker det til beskyttelse mot nye infeksjoner fra det samme viruset. CRISPR/Cas9-systemet oppdaget i 1987 tarmbakterien Escherichia coli, seinere isolert fra streptokokkbakterien Streptococcus pyogenes, og har blitt molekylærbiologenes nye verktøy for med stor presisjon å kunne modifisere og redigere DNA fra levende celler i bakterier, sopp, dyr og planter.

Denne lagrede informasjonen oversettes til crispr-RNA (crRNA), og med hjelp fra crRNA kan Cas9 i cellen bli guidet og ledet fram til virusDNA. Cas9 er en RNA-styrt, biologisk enzymatisk saks, en DNA-endonuklease som bryter fosfor-diesterbindinger i nukleinsyrer. Cas9 tvinner opp fremmed DNA og undersøker om det har likhetstrekk med kjente nukleotidsekvenser fra bakteriofager bakterien har vært i kontakt med. Har det likhetstrekk med de komplementære crRNA-styrte sekvensene, kutter enzymet bakteriofag-DNA i biter på spesifikke steder. Det blir brudd i begge DNA-trådene på steder bestemt av RNA-styringssekvensen. Det kan gi mutasjoner, eller med rekombinasjon kan man sette inn nye gener i en organisme ved bruddstedet. Cas9 kan også bli brukt til å identifisere bestemte deler av genomet hvor det binder seg, men ikke kutter i nukleotidsekvensen.

CRISPR/Cas9 vil i første omgang ikke erstatte vanlige GMO-teknikker, men det er et nyttig verktøy til raskt å identifisere gener med en spesiell egenskap. Det gjør det mulig å slå ut gener og lage «knockout»-mutanter. I hullet som Cas9 lager kan det ligeres inn andre gener.

Som med alle nye teknologiske nyvinninger dukker det opp etiske dilemmaer og spørsmål. Teknikken utvikler seg raskt. Det er allerede funnet CRISPR-Cas som også kutter i RNA på spesifikke steder, tenkt anvendt i bekjempelse av sykdomsfremkallende RNA-virus hos mennesker, dyr og planter. Hvordan skal man hindre at CAS begynner å kutte på uønskede steder i DNA eller i RNA? Sannsynligvis vil cellen forsøke å reparere slike kutt. Blir planter hvor man bare har skrudd av et gen ved å kutte i det uten å sette inn et annet gen, bli karakterisert som en genmodifisert plante? I Europa er det en utbredt skepsis til genmodifiserte planter. Vil en CRISPR-modifisert plante på kjøkkenbenken bli møtt med samme skepsis? Av spesiell interesse er «knockout»-mutanter for å lage gendrivere hvor gener som er vitale for reproduksjon av organismen er blitt kuttet og avskrudd. Evolusjonen sørger for at ethvert forsvarssystem som en vert konstruerer vil bli forsøkt omgått av den angripende og sykdomsfremkallende organismen. Det er rimelig å anta at det eksisterer bakterievirus (bakteriofager) som har laget et motmiddel mot CRISPR-Cas-systemet. Enten det er utvikling av antibiotikaresistens eller resistens mot kjemiske midler i forbindelse med malaria eller lakselus vil ethvert seleksjonspress gi evolusjon av en egenskap som gir tilpasning og overlevelse av den sykdomsfremkallende invaderende organismen; et evolusjonært rustningskappløp.