1. No category

p la n t e forskn i n g . dk
Modelplanter
Almindelig gåsemad
- modelplante nr. 1
En lille enårig plante er blevet yndlingsobjekt for tusindvis af planteforskere
verden over. Dens arvemasse er sekventeret, og de fleste af dens gener er
identificeret. Viden fra grundvidenskabelige studier af gåsemad (Arabidopsis
thaliana) anvendes i stigende grad, når der forædles nye sorter af dyrkede
afgrøder.
Af Lea Møller Jensen, Morten Egevang Jørgensen, Barbara Ann Halkier og Inga
Christensen Bach, Institut for Plante- og Miljøvidenskab, Det Natur- og Biovidenskabelige Fakultet, Københavns Universitet
er genomet f.eks. på ~16 milliarder basepar (Tabel 1). Genomet i Arabidopsis indeholder næsten alle de gener,
som findes i afgrødearterne, men Arabidopsis indeholder
langt mindre ikke-kodende DNA, ofte omtalt som ”junk
DNA”, end afgrødearterne. Det er en af årsagerne til, at
brugen af en modelplante som Arabidopsis er så essentiel.
Genomsekvenserne for nogle afgrødearter er blevet
Vi lever i den postgenomiske æra, dvs i tiden, hvor en lang
række organismer har fået sekventeret hele arvemassen
(genomet). Det var de relativt små genomer hos visse
bakterier, der først blev sekventeret, men nu kender
man DNA sekvensen for alle kromosomer hos en række
eukaryote modelorganismer f.eks. gær (Saccharomyces
cerevisiae), bananflue (Drosophila melanogaster), rundorm
(Caenorhabditis elegans) og mus (Mus musculus). Også
menneskets genom er blevet sekventeret.
Almindelig gåsemad (Arabidopsis thaliana), herefter
kaldet Arabidopsis (Figur 1), var den første blomstrende
plante, der fik sit genom sekventeret. Arabidopsis hører til
korsblomstfamilien og er tæt beslægtet med frøafgrøder
som raps og sennep, grønsager som kål og radis, samt
smagsgivende urter som peberrod og wasabi. Arabidopsis
findes både på opdyrkede marker, hvor den betragtes som
en ukrudtsplante, og i naturen i store dele af verden (Figur
2). Arabidopsis fik sit gennembrud som modelplante, fordi
den har det mindste genom - kun ca 125 millioner basepar
- som hidtil er fundet hos højere planter, og fordi den har en
kort livscyklus
Ofte er formålet med studier af generne i Arabidopsis
at få basal viden om planters biologi, men dette
grundvidenskabelige arbejde kan også danne fundamentet
for anvendt forskning, hvor formålet er at udvikle afgrøder
med nyttige egenskaber.
For mange afgrødearter har det hidtil været en
uoverskuelig opgave at få overblik over genomet. Det
skyldes, at disse arters genomer er meget store. Hos hvede
Figur 1. Almindelig gåsemad (Arabidopsis thaliana) i sprækker
mellem fliser i Nærum nord for København. Foto: Jesper Reibel,
www.fugleognatur.dk
1
December 2013
p la n t e forskn i n g . dk
Modelplanter
Tabel 1. Genomstørrelser
Organisme
Genom (Mbp)
Antal gener
16.000
28.000
www.triticeaegenome.eu, www.wheatgenome.org
3.300
21.000
www.genome.gov
Alm gåsemad (Arabidopsis thaliana)
125
28.000
www.arabidopsis.org
Bananflue (Drosophila melanogaster)
122
17.000
http://flybase.org
Gær (Saccharomyces cerevisiae)
12,4
5.770
www.yeastgenome.org
5,4
5.416
www.genome.wisc.edu, http://ecogene.org
Hvede
Menneske (Homo sapiens)
Colibakterie (Escherichia coli)
I år 2000 blev DNA-sekvensen for Arabidopsisgenomet offentliggjort. Med de sekventeringsmetoder, der var til rådighed i 1990’erne krævede det en enorm forskningsindsats at sekventere de ca. 125 Mbp. Den teknologiske udvikling, ikke mindst mht. databehandling, har
gjort det muligt at sekventere meget større genomer på meget kortere tid, og flere afgrøders genomer er nu sekventeret. Alle blomstrende
plantearter synes at indeholde omkring 28.000 forskellige proteinkodende gener. Nogle arter har mange kopier af det samme gen, hvilket
er medvirkende til forskellen i genomstørrelsen. Imidlertid er den væsentligste forklaring på de store forskelle i genomstørrelse, at nogle
arters genomer indeholder store mængder ikke-kodende DNA, tidligere kaldet ”junk DNA”. Efterhånden som flere og flere geners funktion er blevet karakteriseret i Arabidopsis er betydningen af det ikke-kodende DNA blevet associeret med genregulering. Denne viden
forventes at kunne bruges i fremtiden i forbindelse med generering af planter med forbedrede egenskaber.
Dens livscyklus er kort. Det tager kun omkring 8 uger
fra man sår et frø til planten har blomstret og sat frø. Det er
kort tid sammenlignet med andre enårige plantearter som
f.eks. hvede eller raps. For flerårige planter kan det tage
adskillige år fra et frø spirer til planten selv begynder at
producere frø.
tilgængelige for nyligt, og flere er på vej, men ofte er
det betydeligt lettere at teste hypoteser ved forsøg med
Arabidopsis og efterfølgende implementere positive
forsøgsresultater i afgrødearterne.
Viden om planternes genom er et vigtigt redskab i
moderne planteforædling uanset, om generne overføres
fra plante til plante ved hjælp af krydsning eller ved hjælp af
genteknologi. Meget af nutidens viden om afgrødearternes
gener bygger på forsøg med mutanter af Arabidopsis og
kendskab til denne lille plantes gener.
Arabidopsis thaliana som modelplante
Der er mange gode grunde til at anvende Arabidopsis
som modelplante, udover at den har et lille genomDet lille
genom er især vigtigt, når man ønsker at sekventere hele
arvemassen og finde alle generne, men der er også andre
gode grunde til at anvende Arabidopsis som modelplante.
Figur 2. Udbredelse af Arabidopsis thaliana på den nordlige
halvkugle. Kilde: Den Virtuelle Floran
http://linnaeus.nrm.se/flora/di/brassica/arabs/arabtha.html
Figur 3. Arabidopsis thaliana i klimakammer på Institut for Planteog miljøvidenskab på Københavns Universitet. Planter med gule
skilte er genetisk modificerede. Foto: Inga Christensen Bach.
2
December 2013
p la n t e forskn i n g . dk
Modelplanter
og det har resulteret i planter, der er tilpasset vidt forskellige
forhold.
De mange økotyper af Arabidopsis udgør et skatkammer
af planter med tolerance overfor kulde, salt eller tørke
etc. eller resistens overfor sygdomme eller skadedyr.
Tilpasningen til disse abiotiske og biotiske stresspåvirkninger
ses ved ændrede fysiologiske og biokemiske egenskaber
og afspejler stor genetiske variation. Forskellige økotyper
af Arabidopsis er blevet indsamlet og gjort offentligt
tilgængelige for planteforskere, og flere af økotyperne er
sågar sekventeret.
Arabidopsis bliver kun ca. 25 cm høj, og den stiller kun
små krav til vækstbetingelserne. Den beskedne størrelse
og evnen til at vokse under suboptimale forhold muliggør,
at mange individer let kan dyrkes under laboratorieforhold
dvs. enten i vækstkammer eller drivhus (Figur 3).
Arabidopsis er selvbestøvende, men det er let at lave
kontrollerede krydsninger mellem individer. Den er diploid
(2n), og en enkelt plante kan producere tusindvis af frø.
Det giver store fordele i forbindelse med genetiske studier.
Man kan f.eks. generere en stor krydsningspopulation
ved at krydse to individer, der har forskellige egenskaber.
Egenskaber, som spalter ud i F2-generationen, kan
kortlægges.
Det er nemt at indsætte gener i genomet hos Arabidopsis
ved hjælp af bakterien Agrobacterium tumifaciens (Figur 4
og 5). Kort livscyklus i kombination med nem transformation
gør det let og hurtigt at teste et gens funktion (nu som
transgen) in planta.
Sekventering af en organismes genom siger ikke noget
om funktionen af de forskellige gener. En klassisk vej
til at opnå viden om et gens funktion er at sammenligne
individer, som indeholder forskellige varianter (alleler) af et
gen. Genetisk variation er essentiel, når geners funktion
skal undersøges. Variationen kan opstå på naturlig vis ved
forskellige fysiske, kemiske og biologiske påvirkninger.
Nye mutanter
Udover de spontant opståede mutationer, som giver naturlige
varianter, kan nye genotyper af Arabidopsis frembringes
ved hjælp af bestråling eller behandling med kemikalier,
eller de kan frembringes ved hjælp af transformation.
Kemisk inducerede mutationer
Mutationer kan induceres i Arabidopsisgenomet ved hjælp
af ethylmethansulfonat (EMS). Dette stof påvirker plantens
DNA, så nogle af G:C basepar omdannes til A:T basepar.
EMS-behandling medfører således, at der genereres
punktmutationer i genomet. En plante, som har været
udsat for EMS-behandling, kan have mutationer i mange
forskellige gener.
EMS-behandling er en nem måde at få store
mængder af muterede frø til screening for individer med
ændrede egenskaber, men selve screeningen kan være
meget ressourcekrævende. Hvis man har brug for en
Arabidopsisplante med en bestemt fænotype, kan man
spire mange tusinde frø fra en EMS-population og lede
efter de ganske få planter, som har en mutation, som
giver netop den ønskede fænotype. Selvom populationen
består af mange genetisk forskellige individer, der hver
især indeholder mange forskellige mutationer, er der ingen
garanti for succes.
Naturlig genetisk variation
Arabidopsis vokser i naturlige økosystemer eller på
opdyrkede arealer mange steder i verden, lige fra det
kolde Sibirien til ørkenagtige områder på Azorerne. Der
er beskrevet over 750 forskellige økotyper af Arabidopsis,
som hver især har tilpasset sig lokale vækstbetingelser. De
har vokset i utallige generationer i naturens laboratorium,
Figur 4. Arabidopsis thaliana er let at transformere ved hjælp af
Floral-dip metoden. Blomsterstanden dyppes i en suspension af
Agrobacterium, som inficerer nogle af plantens celler og overfører
T-DNA fra et plasmid til plantens genom. Hvis en ægcelle i blomsterstanden bliver transformeret, vil alle celler i det frø, som ægcellen udvikler sig til, være transgene. Foto: Tom Hamborg Nielsen
Figur 5. Kun en mindre andel af de frø, som høstes fra en blomsterstand, som har været dyppet i en suspension af Agrobacterium,
vil være transgene. Hvis T-DNA indeholder et selektionsgen, f.eks.
NPTII, som giver resistens mod et antibiotikum ved navn kanamycin, kan de transgene individer selekteres på et dyrkningsmedium,
som indeholder kanamycin. Foto: Lea Møller Jensen
3
December 2013
p la n t e forskn i n g . dk
Modelplanter
Aktiviteten af et gen kan også ændres indirekte, f.eks. ved
at et T-DNA sætter sig ind, så det påvirker aktiviteten af en
transkriptionsfaktor, som regulerer genets aktivitet.
Det er ikke muligt at få Agrobacterium til at introducere
T-DNA til et specifikt sted i plantens genom, men ved at
sekventere de flankerende sekvenser til T-DNAet kan
man bestemme den præcise placering. Flere hundrede
tusinde Arabidopsis T-DNA mutanter er karakteriseret, og
beskrivelser af dem er tilgængelige i databaser (Faktaboks 1)
En population af EMS-mutanter kan også screenes med
udgangspunkt i genotypen. Hvis man har brug for en plante
med en mutation i et specifikt gen, søger man efter mutanter
i populationen ved hjælp af en PCR-baseret metode.
Punktmutationer afsløres via manglende baseparring
mellem PCR-produktet fra mutanten og vildtypen. Denne
metode kaldes TILLING (Targeting Induced Local Lesions
IN Genomes). Ved TILLING fås typisk en række forskellige
alleller af et givent gen. Hos en del af disse planter vil der
kun være en enkelt ændring i proteinets aminosyresekvens,
og man skal være heldig for at finde en punktmutation, som
introducerer et stop codon i den første del af genet, så det
inaktiveres (en knockout mutant).
Anvendelse af mutanter i forskningen
Mutanter er meget nyttige i forskningen. Det gælder både,
når man tager udgangspunkt i en plante med en specifik
fænotype og ønsker at finde ud af, hvilke gener, der
forårsager denne fænotype, og når man tager udgangspunkt
i DNA sekvensen for et specifikt gen og ønsker at klarlægge
funktionen af dette gen. De to veje til kobling mellem
fænotype og genotype kaldes ofte hhv. ”forward genetics”
og ”reverse genetics”.
T-DNA mutanter
T-DNA mutanter er dannet ved brug af det biologiske
mutagen, T-DNAet. I naturen danner Agrobacterium
tumefaciens svulster (galler) i planter, idet denne bakterie
fra naturens side på unik vis er i stand til at overføre gener
til planternes genom. Generne overføres fra bakteriens
Ti-plasmid (Ti = tumor-inducerende) til plantens genom,
og derved påvirker den plantens metabolisme til sin egen
fordel. DNA stykket, der overføres og indsættes, kaldes
T-DNA (Transfer DNA).
Når T-DNAet bruges som mutagen, er det blevet
’afvæbnet’, så indsættelse i plantens genom ikke
medfører dannelse af svulster. De gener, som de naturligt
forekommende stammer af Agrobacterium sætter ind,
er fjernet fra plasmidets T-DNA. I stedet er der indsat et
selektionsgen, f.eks. genet nptII, der giver resistens overfor
et antibiotikum ved navn kanamycin. Bakterien indeholder
stadig de gener, som er nødvendige for, at den kan indsætte
T-DNA i plantens genom, men disse gener bliver ikke
overført.
Bortset fra antibiotikaresistens får T-DNA mutanterne
ikke tilført gener, der medfører at plantens egenskaber
(fænotype) ændres. Hvis en plantes fænotype er blevet
ændret som følge af indsættelse af T-DNA, skyldes det,
at aktiviteten af et eller flere af plantens egne gener er
blevet ændret. Aktiviteten af et gen kan ændres ved at et
T-DNA sættes ind i selve genet, så læserammen brydes,
eller i promotoren, som styrer transkriptionen af genet.
Fra fænotype til gen - forward genetics
Ved forward genetics haves en mutant med ændrede
egenskaber uden at det vides, hvilket gen som er
muteret. Metoden til kobling af den specifikke fænotype
til det muterede gen afhænger af typen af mutation. For
T-DNA mutanter er metoden enkel, idet det muterede gen
identificeres ved at sekventere de flankerende sekvenser for
T-DNA’et. Ved andre typer af mutationer f.eks. de spontant
opståede, som giver naturlig variation hos økotyperne eller
EMS-inducerede mutationer, kortlægges mutationen ved
krydsningsforsøg. Mutanten krydses med enten en anden
økotype eller med en vildtypeplante, og i de følgende
generationer scores de individuelle planter i forhold til
den ønskede fænotype. Samtidig bruges forskellige
genomiske markører til at finde det område på genomet,
som er koblet til den ønskede fænotype. Ved at have en
stor krydsningspopulation samt mange genetiske markører,
kan det indsnævres, hvor på genomet genet sidder. Dette
område kan undersøges videre ved hjælp af sekventering.
I den post-genomiske æra er det blevet betydeligt
nemmere at identificere genmutationer, om end kortlægning
ved krydsning stadig er en langsommelig proces. Efter
Faktaboks 1. Databaser over samlinger af T-DNA og EMS mutanter af Arabidopsis
For Arabidopsis findes store samlinger af T-DNA mutanter, hvor man præcis ved i hvilket gen, T-DNA’et er indsat. Det
har muliggjort, at man blot via en hjemmeside kan undersøge, om der findes en T-DNA mutant, som er muteret i netop
det gen, som man ønsker at analysere. I så fald kan der bestilles frø hjem, og efterfølgende studier af mutanten kan
medvirke til at give information om genets mulige funktion.
”The Arabidopsis Information Ressource-TAIR” (http://www.arabidopsis.org/) er en database for Arabidopsis thaliana,
hvor det er muligt at finde offentlig tilgængelig information omkring A. thaliana genomet i form af sekvenser, genannoteringer og artikler. I tillæg er der links til en række tjenester og værktøjer til brug i forsknings øjemed – heriblandt
links til databaser over T-DNA knockout mutanter og EMS mutanter, som det er muligt at bestille frø fra.
4
December 2013
p la n t e forskn i n g . dk
Modelplanter
som transporterer zink, kan også transportere cadmium,
som er særdeles giftigt for både planter og dyr. Ved hjælp
af mutanter med modificerede udgaver af disse pumper
undersøges det, som det er muligt at få planter til at optage
zink uden også at akkumulere cadmium.
Arabidopsismutanter spiller en særlig rolle i studier af
biosyntesen af glucosinolater i planter fra korsblomstfamilien.
Glucosinolater er de naturstoffer (ofte kaldet sekundære
metabolitter), som giver den skarpe smag i radiser og andre
arter fra korsblomstfamilien. Hele biosyntesevejen for
glucosinolater er nu opklaret, og vi har et nøje kendskab til
de proteiner, som er involveret i den hydrolyse, som sker, når
plantevævet bliver beskadiget, f.eks. ved insektangreb.
udbredelsen af ”2nd generation sequencing” (Faktaboks
2), er det muligt at sekventere sig frem til den ønskede
mutation, men denne strategi er endnu for kostbar for
almindelige forskningsbudgetter.
Fra gen til fænotype - Reverse genetics
Ved reverse genetics haves et gen, hvis funktion man
ønsker at identificere. Det sker ved at undersøge, hvilken
egenskab som er ændret i en plante, som er muteret i
pågældende gen, dvs et specifikt gen kobles til en fænotype.
På en hjemmeside med data om store samlinger af T-DNA
mutanter kan man undersøge, om der findes en T-DNA
mutant for et givent gen. Hvis der gør, kan frø hentes hjem
og undersøgelse af fænotypiske egenskaber indledes.
Fra genomics til metabolomics
Eksempler på Arabidopsismutanter
Forskning i en organismes DNA (genomics) kan ikke stå
alene. Som nævnt siger sekventering af et genom ikke
noget om de forskellige geners funktion, eller om de
overhovedet bliver udtrykt i organismen. Det næste skridt
er at sekventere organismens transkriptom, dvs. den
population af mRNA, som findes på et givent tidspunkt.
Det opnås ved at sekventere biblioteker af cDNA (som er
reverse-transkriberet mRNA), og dermed få et billede på,
hvilke gener som er udtrykt i et givent væv.
Sekventering af organismers proteomer, dvs.
populationer af proteiner på et givent tidspunkt, er også
relevant. Et proteom informerer dels, om hvilke mRNA’er
som rent faktisk bliver translateret og dels, om et givent
protein har undergået posttranslationelle modifikationer.
Sidstnævnte kan have stor betydning for et proteins
aktivitet. Man er ydermere begyndt at indsamle information
om en organismes metabolom, som er dets metabolitprofil
på et givent tidspunkt.
Tilsammen muliggør den nye viden, som opnås indenfor
genomics, transkriptomics, proteomics og metabolomics og
som i stor grad er tilgængelig via databaser på nettet, en
fantastisk skattekiste af molekylærbiologiske værktøjer.
Ny viden om de enkelte geners funktion(er) og samspil
med hinanden i modelorganismer åbner mulighed for
efterfølgende at anvende denne viden i praksis.
Mutanter af Arabidopsis bruges til studier af den genetik,
der ligger bag både primær og sekundær metabolisme,
f.eks. syntese og nedbrydning af stivelse, transport af
næringsstoffer eller produktion af forsvarsstoffer.
Arabidopsismutanter spiller en vigtig rolle i studier
af, hvordan planter optager næringsstoffer fra jorden og
transporterer dem rundt i plantens væv. Når normale
planter mangler fosfat, sætter de mekanismer i gang for at
øge tilgængelighed, optagelse og genbrug af fosfat. Det er
vigtigt for planten, at dette ”nødforsyningssystem” lukkes
ned, når der igen er nok fosfat, så planten ikke bruger
flere ressourcer end nødvendigt. Ved hjælp af mutanter
er der identificeret transkriptionsfaktorer, som styrer
aktiviteten af gener som er direkte involveret i planternes
fosfatmetabolisme. For eksempel kan phr1 mutanten ikke
reagere normalt på fosfatmangel (Figur 6). Uorganisk fosfat,
som bruges i fremstilling af gødning, er en ikke-fornybar
ressource, og viden om planters udnyttelse af fosfat er
vigtig i forbindelse med udvikling af afgrøder, der vokser
godt ved lav tilførsel af gødning.
Zink og andre metaller transporteres på tværs af
membraner ved hjælp af biologiske pumper. De pumper,
Fra grundforskning til praktisk anvendelse
Siden år 2000, hvor DNA sekvensen for Arabidopsisgenomet
blev offentligtgjort, har det internationale netværk af
planteforskere opbygget en ganske overvældende mængde
viden om plantegeners funktion og effekt på modelplantens
fitness. Der er et meget stort potentiale i at overføre
grundlæggende viden om genernes funktion i Arabidopsis
til afgrøder. Strategien omtales ofte som ”Translational
research”, dvs. at resultater fra grundforskning og
modelorganismer ”oversættes” til produktionsorganismer.
Der er flere eksempler på, at resultater af genetiske
og biokemiske studier af Arabidopsis er blevet overført
til afgrødearter. For eksempel har identifikation af gener,
som har indflydelse på, om Arabidopsis åbner skulperne
Figur 6. Wildtype (tv) og phr1 mutant (th). Begge planter er dyrket
ved lav fosfat kombineret med et højt lysniveau. Dette giver en
stress, som den normale plante bl.a. reagerer på ved at danne
røde farvestoffer (anthocyanin), som skal hjælpe med beskytte
den. Mutanten danner ikke disse farvestoffer og dens fotosyntese
bliver stærkt skadet af det høje lysniveau. Foto: Tom Hamborg
Nielsen.
5
December 2013
p la n t e forskn i n g . dk
Modelplanter
Faktaboks 2. Sekventering version 2.0
Sekventering af hele genomer var for bare få år tilbage en uoverkommelig opgave for enkelte laboratorier at udføre. Med
implementeringen af 2. generations sekventering er sekventering af hele genomer blevet muligt for forskere, der ikke
er tilknyttet maskinparkerne i de store genomcentre. Ved 2. generations sekventering forstås enten 454 sekventering
eller Solexa sekventering. Begge 2. generations sekventeringsmetoder er baseret på “sequencing by synthesis”,
hvilket muliggør at milliardvis af reaktioner kan forløbe samtidigt. Denne måde at sekventere DNA stykker parellelt
har muliggjort at sekventere et genom meget billigt og hurtigt i forhold til den klassiske Sanger sekventeringsmetode
“sequencing by chain-termination”, som har været standard i tre årtier.
En vigtig forskel på den klassiske sekventeringsmetode og de nye metoder er karakteren af de data man får. Ved
Solexa og 454 sekventering fås en masse korte sekvenser på ca. 30-300 basepar, der dækker hele genomet mange
gange (genomer er i million basepar størrelsesordenen). Ved Sanger sekventering fås sekvenser på helt op til 1000
basepar. Det er mere kompliceret at samle de mange korte sekvenser til en sammenhængende genomsekvens. Det
gælder især ved Solexa sekventeringen, da den mest anvendte sekvens længde er på 36 eller 76 basepars længde.
Det er i denne forbindelse, at de sekventerede modelplanter er et vigtigt supplerende redskab til at samle genomerne
for andre organismer. Ved at bruge modelplantens genom som skabelon er det muligt at tage de korte sekvenser og
finde deres position på modelgenomet og derved stykke genomet sammen. Med de nye sekventeringsteknikker kan
menneskets genom sekventeres for under 1000 US$.
umiddelbart efter at frøene er modne, eller om de forbliver
lukkede, ført til udvikling af dryssefast raps (Figur 7). Et
andet eksempel er kartofler, som indeholder stivelse, der
egner sig til specifikke formål (Figur 8.)
Kendskabet til biosyntese- og hydrolysevejene for
glucosinolater har muliggjort udvikling af en superbroccoli,
som producerer mellem 10 og 100 gange mere sulforafan
end almindelige broccolisorter. Denne broccoli har dels
øget biosyntese af glucoraphanin (Figur 9), og dels er ESPproteinet fjernet, hvorved glucosinolathydrolysen forløber
i retning mod isothiocyanatdannelse. Superbroccolien er
kommet til verden ved krydsning mellem en vild broccoliart
fra Sicilien og en moderne sort. Afkomsplanter med ønskede
gener fra den vilde art er udvalgt på grundlag af specifikke
DNA-analyser.
Glucosinolater findes normalt kun i afgrøder fra
korsblomstfamilien, men det er nu lykkedes at overføre
hele biosyntesevejen (13 gener!) for glucoraphanin til
tobak (Figur 9). Det viser, at produktion af glucosinolater
er mulig i andre værtsorganismer. Resultaterne fra tobak
giver håb om, at det også vil være muligt at overføre
syntesevejen til gær og derved udvikle en teknologiplatform
til mikrobiel produktion af store mængder glucoraphanin.
Figur 7. GM-raps holder på frøene
Rapsplanter åbner normalt skulperne, så snart frøene er modne.
Det kan medføre store udbyttetab, da planterne smider frøene på
marken før høst. I Arabidopsis har det vist sig, at overudtrykning
af genet FRUITFULL forhindrer åbning af skulpen. Denne viden er
blevet brugt til fremstilling af en dryssefast raps, der overudtrykker
FRUITFULL genet fra Arabidopsis.
Figur 8. Kartoffel med nye egenskaber
Stivelse udvundet fra kartofler anvendes både som fødevareingrediens og i produktion af papir, tekstiler og emballage. Stivelse
består af en blanding af amylose og amylopektin, men til nogle
formål foretrækkes rent amylopektin. I den genmodificerede kartoffel Amflora er ekspessionen af gbss-genet, som er involveret i
amylosesyntesen, nedreguleret.
6
December 2013
p la n t e forskn i n g . dk
Modelplanter
er at tilvejebringe tilstrækkeligt med vegetabilske fødevarer,
dyrefoder og bioenergi til både nuværende og kommende
generationer. Et af midlerne er at forædle nye sorter af
velkendte kulturplanter, der i højere grad end eksisterende
sorter, kan opfylde fremtidens behov.
Planteforædling - uanset metode - kan naturligvis ikke
give svaret på alle de udfordringer, som verden står overfor,
men optimering af planteproduktionen er nødvendig, hvis
levestandarden i den fattige del af verden skal øges,
samtidig med at den nuværende levestandard bevares i
rige lande. Nye robuste og produktive afgrødesorter skal
kombineres med dyrkningssystemer, der er bæredygtige
og produktive på samme tid. Dertil kommer en lang række
kulturelle og økonomiske barrierer, som skal overvindes.
Figur 9 . Glucosinolater. Plantearter fra korsblomstfamilien indeholder bl.a glucoraphanin, som menes at være et særlig potent
kræftforebyggende plantenaturstof.
Det vil muliggøre indtagelse af veldefinerede doser af
glucoraphanin, f.eks. som led i medicinsk behandling.
Videre læsning
Blennow A og Bach IC (2009) Sund stivelse, vegetabilsk vingummi
og spiselig plastik. Planteforskning.dk
Müller R, Nilsson L, Nielsen TH (2005) Planters tilpasning til
fosfatmangel - grundforskning med perspektiver. Planteforskning.
dk
Vester JK (2009) Produktion af det bio-aktive stof fra broccoli i gær.
Planteforskning.dk
GMO eller konventionel afgrødesort
I nogle tilfælde tilføres afgrøden en ny egenskab ved at
et stykke DNA sættes ind i planten, men selvom genomet
tilføres et stykke DNA, dannes der ikke nødvendigvis et
nyt protein. Målet kan f.eks. være at få en plante, som har
egenskaber svarende til en knock out mutant af Arabidopsis.
I så tilfælde slukkes for det tilsvarende gen i afgrødearten
ved hjælp af DNA sekvenser fra det gen, som skal slukkes.
Målet kunne også være at øge aktiviteten af et af plantens
gener. Det kan gøres ved at indsætte en ekstra kopi af
genet, så der dannes mere af et protein, som planten selv
danner i forvejen.
Når et stykke DNA klones og indsættes i en plantes
genom, er den nye afgrødesort underkastet GMOlovgivningen. Det gælder, uanset om der udtrykkes
artsfremmede proteiner, eller om der blot dannes mindre
af et af plantens egne proteiner. En ny sort kategoriseres
også som en GMO, hvis der indsættes en ekstra kopi af
et af plantens egne gener. Hvis planten har fået en ekstra
kopi af det pågældende gen ved en spontant opstået
genduplikation, hører den nye sort under lovgivningen for
konventionelt forædlede sorter.
I praksis har GMO-lovgivningens restriktive regulativer
den effekt, at planteforædlingsfirmaerne så vidt muligt
benytter andre metoder, f.eks. mutationsforædling, til
at opnå de ønskede egenskaber. Med TILLING er der
for alvor kommet gang i udvikling af afgrødesorter med
inducerede mutationer. TILLING er udviklet i Arabidopsis,
men anvendes i stigende grad i afgrøder som f.eks. hvede.
Uanset hvor mange mutationer, der er introduceret ved
hjælp af bestråling eller EMS, er TILLING mutanter ikke
underlagt den lovgivning, som gælder for GMO.
Referencer
Burow M, Halkier BA, Kliebenstein DJ (2010). Regulatory networks
of glucosinolates shape Arabidopsis thaliana fitness. Current
Opinion in Plant Biology 13: 347-352.
Bækgaard L, Roed MD, Sørensen DM, Hegelund JN, Persson DO,
Mills RF, Yang Z, Husted S, Andersen JP, Buch-Pedersen M,
Schjørring, JK, Williams LE, Palmgren MG (2010). A combined
zinc/cadmium sensor and zinc/cadmium export regulator in a
heavy metal pump. Journal of Biological Chemistry 8:3124331252.
Mikkelsen MD, Olsen CE, Halkier BA (2010). Production of the
cancer-preventive glucoraphanin in tobacco. Molecular Plant 3:
751-759.
Nilsson L , Müller R , Nielsen TH (2007). Increased expression of
the MYB-related transcription factor, PHR1, leads to enhanced
phosphate uptake in Arabidopsis thaliana. Plant, Cell and
Environment 30:1499-1512.
Sønderby IE, Geu Flores F, Halkier BA (2010). Biosynthesis of
glucosinolates - gene discovery and beyond. Trends in Plant
Science 15: 283-290.
Ordforklaringer
Allel: variant af et gen. Et gen er lokaliseret et bestemt sted på
et kromosom og findes ofte i flere varianter i en population,
dvs. med små forskelle i sekvensen. Disse varianter kaldes
alleler.
Diploid: organisme eller celle, der indeholder to sæt kromosomer (2n).
Genom: den totale genetiske information, der bæres af et enkelt sæt kromosomer.
Homozygot: en organisme eller celle, der har samme alleler for
et givet locus på alle kromosomer.
Locus: det sted på et kromosom, hvor et gen er placeret.
Patogen: en mikroorganisme, der medfører en sygdom.
Plasmid: små cirkulære eller lineære DNA-molekyler, som kan
anvendes som vektorer til indsætning af bestemte gener.
Ortologe gener: gener hos forskellige arter med samme funktion og fælles oprindelse.
Perspektiver for planteforædling
Bioteknologien udvikler sig særdeles hurtigt i denne tid,
og der er store forventninger til plantebioteknologien. Det
forventes, at ny teknologi kan bidrage med løsninger på
en række af de kommende års store udfordringer. Målet
7
December 2013