1. No category

p la n t e forskn i n g . dk
Forædling og produktion
Biologisk vækstregulering
af potteplanter
Potteplanter kan ikke sælges, hvis de er høje og ranglede. Derfor behandles
de med vækstregulerende sprøjtemidler i gartnerierne. Disse sprøjtemidler
udfases, så der er behov for et alternativ. En bakterie, som lever sammen med
planter i naturen, indeholder gener, som kan regulere strækningsvæksten hos
Kalanchoë.
Af Renate Müller, Brian Christensen, Henrik Lütken og Inga Christensen Bach
sprøjtemidler mister godkendelse og forsvinder fra
markedet. En anden negativ effekt er, at potteplanter, der
er sprøjtet med kemiske vækstreguleringsmidler, ofte har
dårligere holdbarhed end usprøjtede planter.
Danmark er et af de lande i verden, der producerer flest
potteplanter. Størstedelen af produktionen eksporteres,
og ifølge brancheorganisationen Dansk Gartneri udgjorde
værdien af denne eksport ca. 2,7 milliarder kroner i 2012.
Der produceres mange forskellige slags potteplanter
i danske væksthuse, men Kalanchoë blossfeldiana,
også kaldet Koraltop, Brændende Kærlighed eller bare
Kalanchoë er den potteplante, der produceres flest af i
danmark - omkring 40 millioner potter om året (Figur 1).
I danske væksthusgartnerier tilstræbes miljøvenlig
produktion, hvor der spares så meget som muligt på
ressourcer, der koster dyrt og sætter miljømæssige
fodaftryk (Figur 2).
Den perfekte potteplante - Kort er godt
Der er én type sprøjtemidler, som gartnerne har meget
svært ved at undvære i produktionen af potteplanter.
Det er kemiske vækstreguleringsmidler, populært
kaldet stråforkortere, og af gartnere kaldet kemiske
retarderingsmidler. De aktive stoffer i disse sprøjtemidler er
analoger eller inhibitorer til naturlige plantehormoner, som
regulerer strækningsvækst.
Et stort forbrug af kemiske vækstreguleringsmidler
belaster miljø og arbejdsmiljø, og indenfor ganske få
år forventes det, at mange af de vækstregulerende
Figur 1. En forædlet sort af Kalanchoë blossfeldiana - et resultat
af krydsning og udvælgelse. Arten har normalt kun fire kronblade,
men denne sort har fyldte blomster. Foto: Knud Jepsen a/s
1
Januar 2014
p la n t e forskn i n g . dk
Forædling og produktion
Figur 2. Potteplanteproduktion i moderne væksthus. I danske produktionsvæksthuse er der avancerede gardinsystemer for at spare på
den fossile energi, og både vand og næringsstoffer recirkuleres for at undgå spild. Så vidt muligt, bruges biologisk bekæmpelse af skadedyr, og svampesygdomme forebygges bl.a. ved at styre luftfugtighed og temperatur optimalt og ved omhyggelig hygiejne. Forbruget af
pesticider er derfor lavere end i væksthusgartnerier i mange andre lande. Foto: Knud Jepsen a/s.
Det danske gartnerierhverv søger med lys og lygte efter
alternativer til kemisk vækstretardering, for forbrugere og
distributører kræver potteplanter med lang holdbarhed,
kompakt vækst og mange sidegrene.
Hvis der ikke findes dværggener i de plantearter, som
vi dyrker som potteplanter, kan vi så finde gener, der giver
kompakt plantevækst i andre organismer?
Det miljøvenlige alternativ
Planters vækst og udvikling styres af plantehormoner lavmolekylære organiske forbindelser, der har stor effekt
selv i meget lave koncentrationer. Det er især forholdet
mellem cytokininer og auxiner, der er involveret i dannelse
af sideskud og rødder, og gibberelliner, der styrer
strækningsvækst, mens ethylen får blomster til at visne og
blade til at falde af.
Kan vi få hjælp fra bakterier?
For at opretholde og sikre det danske gartnerierhvervs
konkurrencedygtighed er det nødvendigt at udvikle nye
metoder som alternativer til kemisk vækstregulering. Der
er udført mange forsøg på at regulere potteplanternes
strækningsvækst ved hjælp af klimastyring, mv., men
metoderne virker ikke lige godt for alle plantearter.
Der er også lavet forsøg med mekanisk vækstregulering,
hvor væksthusgartnere forsøger at efterligne miljøet
udendørs. I naturen påvirkes planter af vind og vejr, og især
vindens rusken får planter til at forstærke cellevæggene,
så de bliver lavere og mere robuste. Ved at ryste planterne
eller udsætte dem for berøring - i praksis ved sætte en
maskine til at trække en dug af gummi, fiber eller tekstil
henover planterne adskillige gange i døgnet - kan man i
nogen grad reducere potteplanters strækningsvækst, men
ikke nok og ikke uden slidskader på blade og knopper.
Den optimale løsning er at udvikle nye sorter, hvor
planterne har en genetisk betinget vækstregulering, eller
med andre ord, arveanlæg, som gør, at planterne ikke bliver
lange og ranglede. Det har også den fordel at planterne
forbliver kompakte hos forbrugeren, og ikke bliver lange og
ranklede i vindueskarmen eller i krukkerne på terrassen.
Spørgsmålet er om den fornødne kompakthed er til stede i
det naturlige reservoir af genetiske anlæg i vores populære
prydplanter, den såkaldte genpool. For mange plantearter er
der endnu ikke fundet gener, som svarer til de dværggener,
som findes i moderne kortstråede sorter af hvede, byg og
andre kornarter.
Figur 3. Planter inficeret med bakterien Agrobacterium rhizogenes
udviser en typisk respons, som kaldes forskere kalder for ”hairy
root phenotype”. Disse rødder vokser kraftigt, kan dyrkes uafhængigt fra planten i sterilkultur.
2
Januar 2014
p la n t e forskn i n g . dk
Forædling og produktion
Figur 4. Naturlig transformering i Kalanchoe. Billedserien viser processen fra dyrkning af bladvæv, som er podet med Agrobacterium
rhizogenes, til slutresultatet - en hel plante med gener fra bakterien. Bladstykker, som er blevet podet med Agrobacterium rhizogenes,
danner ”hairy roots” fra de bladceller, som bakterien har inficeret. Disse rødder flyttes til et andet dyrkningsmedium, som får rodcellerne
til at danner små grønne grønne skud. Skudene flyttes til nyt dyrkningsmedium, hvor de vokser videre og danner rødder. Når planterne
har fået en vis størrelse, tages de ud af det sterile miljø og plantes i pottemuld. Derefter kan deres vækst sammenlignes med tilsvarende
planter med samme genotype bortset fra de gener, som bakterien har sat ind. På det sidste billede ses en plante med rol-gener (til venstre)
og en kontrolplante uden rol-gener. (til højre.)
ind i uafhængigt af hinanden i plantens DNA.
På Københavns Universitet arbejder vi med en udgave
af den naturligt forekommende stamme af Agrobacterium
rhizogenes. Vi skaber optimale betingelser for bakteriens
vækst og understøtter demed, at bakterien kan overføre
rol-gener til planteceller i laboratoriet. Ligesom i naturen
resulterer infektionen med bakterien og integration af
de nye gener i dannelse af “hairy roots”. Ved at dyrke
planteceller i vævskultur (in vitro) under sterile forhold
og med tilføjelse af de fornødne hormoner på det rigtige
tidspunkt kan vi regenerere hele planter fra enkeltceller.
Anderledes sagt er man nødt til at få disse rødder til at
danne hele planter. Agrobacterium rhizogenes kan inficere
mange forskellige plantearter, men det kan være en stor
udfordring at regenerere hele planter fra f.eks. træagtige
planter.
Galler på egeblade og heksekoste i birketræer er
eksempler på, at andre organismer, her et insekt og
en svamp, kan påvirke hormonbalancen i plantevæv,
så vækstformen ændres. De naturligt forekommende
jordbakterier af slægten Agrobacterium kan inficere
planteceller og fremkalde svulster (galler) på stængler og
rødder hos nogle plantearter (Figur 3). Det særlige ved disse
bakterier er, at de påvirker plantecellernes hormonbalance
ved at indsætte gener, som koder for hormonlignende
stoffer, i plantens kromosomer.
Infektion med Agrobacterium tumefaciens er årsag
til plantesygdommen rodhalsgalle, mens Agrobacterium
rhizogenes kan inficere planterødder og forårsage vækst
af såkaldte “hairy roots” ved infektionsstedet. Ændring i
røddernes morfologi efter infektion med Agrobacterium
rhizogenes skyldes især fire gener, som bakterien sætter
ind i plantecellernes arvemasse. Disse gener kaldes for
rol-gener, og rol står for ”root loci”. Desuden bliver der
overført to gener, som er involveret i auxinmetabolisme og
gener som har indflydelse på, hvordan planterne reagerer
på plantehormoner og dermed på planternes morfologi på
celleniveau. De gener, som Agrobacterium rhizogenes kan
overføre til planter, kan være placeret i to separate T-DNA
(Transfer-DNA) på bakteriens Ri-plasmid og kan sætte sig
Effekt af rol-gener i planter
Kalanchoë blossfeldiana med rol-gener udviser ændringer
i mange egenskaber (Figur 4). Vi har observeret store
forskelle mellem de producerede linier, men generelt er de
mest markante ændringer, at planterne har korte internodier,
øget forgrening og forbedret roddannelse. Spørgsmålet er,
om vi kan bruge nogle af de ændringer, som rol-generne
3
Januar 2014
p la n t e forskn i n g . dk
Forædling og produktion
planter, for at finde de planter, som har fået overført de nye
gener. Transformerede planter selekteres ved at tilsætte
antibiotika til dyrkningsmediet, så kun transformere planter
med selektionsgen og de øvrige indsatte gener kan vokse.
Når vi benytter den naturligt forekommende stamme
af Agrobacterium rhizogenes er der ikke behov for
antibiotikaresistensgener, fordi celler, som har fået indsat
rol-gener, danner de karakteristiske ”hairy roots” som nemt
kan udvælges på grund af deres udseende. Alle planterne,
der regenereres fra ”hairy roots”, har fået de ønskede rolgener, så derfor er der ikke behov for at selektere ved hjælp
af antibiotikaresistensgener eller andre selektionsgener.
Forbedret holdbarhed
Potteplanter,
der
er
behandlet
med
kemiske
vækstreguleringsmidler, har ofte dårligere holdbarhed end
usprøjtede planter. Man kunne frygte, at det samme gør sig
gældende for transformerede planter med kompakt vækst,
som vores Kalanchoë indeholdende de nye rol-gener. Holdbarhedstesten
med
Kalanchoë
linierne
indeholdende rol-gener overraskede imidlertid med det
modsatte. De enkelte blomster havde en bedre holdbarhed,
og planter holdt sig pæne i længere tid.
Det var en stor overraskelse, at planterne, som
indeholdt de nye rol-gener, udviste en nedsat følsomhed
overfor ethylen. Det er en egenskab, som alle forædlere
ønsker sig for deres sorter. Den forbedrede holdbarhed og
den nedsatte følsomhed overfor ethylen antages at skyldes
ændringerne i planternes hormonbalance. Nærmere
undersøgelser af effekten af de individuelle rol-gener
og deres effekt på plantens hormonbalance er i gang.
Vi arbejder desuden på andre plantearter, for at kunne
udnytte denne lovende metode. En øget viden om de
mekanismerne, der ligger bag den forbedrede holdbarhed i
planter med rol-gener, kan bidrage til forædlingen af planter
med bedre kvalitet. Denne viden kan gavne både traditionel
og molekylær forædling.
Figur 5. Kalanchoë indeholdende rol-gener fra Agrobacterium
rhizogenes kan udvise forskellige grader af kompakthed. Mens
planten til højre er meget hæmmet i sin vækst - for meget til at
være attraktiv for forbrugeren og for langsomt voksende for producenterne - er planten i midten tættere på at være fremtidens potteplante, der kan produceres uden kemisk vækstregulering.
forårsager, til at forbedre kvaliteten af potteplanter.
Nogle af de nye linier af Kalanchoë blossfeldiana med
rol-gener med korte internodier og kompakt vækst ser
meget lovede ud. Afkomsanalyser har vist, at egenskaben
kompakt vækst kan overføres til næste generation.
Analyserne viste også, at effekten af de indsatte gener kan
”fortyndes” ved at krydse med udgangsformen uden rolgener, så for kraftig effekt af rol-generne kan reduceres i
næste generation.
Effekten af de indsatte gener afhænger bl.a. af deres
placering i plantens genom og af antallet af indsatte
T-DNA. Bakterien kan indsætte det ene eller begge
T-DNA fra bakteriens plasmid, og der kan indsættes flere
kopier af samme T-DNA. De regenererede planter er
altid heterozygote mht. de indsatte gener, og ligesom for
plantens egne gener, sker der udspaltning af indsat T-DNA
i afkomsgenerationerne efter Mendels principper.
Ved at krydse og selektere ønskede fænotyper i flere
omgange, opstår der en mangfoldighed mht. egenskaber.
På denne måde er det muligt at få lige præcis så
kompakt vækst, som man ønsker (Figur 5). Kompakte
genotyper af Kalanchoë blossfeldiana med rol-gener
indgår nu i konventionelle forædlingsprogrammer. Det er
et stort skridt mod produktion af potteplanter uden kemisk
vækstregulering og dermed et sundere arbejdsmiljø for
gartnerne og reduceret miljøbelastning.
Perspektiver
Da planter med rol-gener fra den naturligt forekommende
jordbakterie Agrobacterium rhizogenes udviser både
kompakt vækst og øget holdbarhed, kan indsættelse af
rol-gener i planternes arvemasse være et alternativ til både
kemiske vækstreguleringsmidler og holdbarhedsmidler.
Vores Kalanchoë med rol-gener er fremkommet ved
en naturlig proces. De falder derfor udenfor definitionen
på GMO i EU’s udsætningsdirektiv, der regulerer
godkendelsen af gensplejsede planter. Dermed begrænses
teknologiens anvendelse ikke af en meget omkostningstung
godkendelsesprocedure.
Vi forventer at lignende gode resultater kan opnås ved
at indsætte rol-gener i andre økonomisk vigtige prydplanter.
Denne metode har dermed potentiale til at blive fremtidens
alternativ til at regulere potteplanters vækst med kemiske
vækstreguleringsmidler.
Selektion af transformanter
Selv om de kompakte Kalanchoë med rol-gener er
frembragt ved en genetisk transformation, indeholder
de ikke de såkaldte selektionsgener. Ofte indsættes der
antibiotikaresistensgener, når der fremstilles gensplejsede
4
Januar 2014
p la n t e forskn i n g . dk
Forædling og produktion
Referencer og videre læsning
Christensen, B , Sriskandarajah, S & Müller, R (2009) Biomass distribution in Kalanchoe blossfeldiana transformed with rol-genes
from Agrobacterium rhizogenes. HortScience vol 44, nr. 5, s.
1233-1237.
Christensen, B , Sriskandarajah, S , Serek, M & Müller, RPB (2008)
Transformation of Kalanchoe blossfeldiana with rol-genes is useful in molecular breeding towards compact growth. Plant Cell Reports vol 27, nr. 9, s. 1485-1495.
Lütken, HV , Wallström, SV , Jensen, EB , Christensen, B & Müller,
R (2012) Inheritance of rol-genes from Agrobacterium rhizogenes through two generations in Kalanchoë. Euphytica vol 188,
nr. 3, s. 397-407.
Lütken, HV , Clarke, JL & Müller, R (2012) Genetic engineering and
sustainable production of ornamentals: current status and future
directions. Plant Cell Reports vol 31, nr. 7, s. 1141-1157.
Om forfatterne
Renate Müller
Professor og leder af
forskergruppen, Floriculture
and Translational Plant Science
ved Instititut for Plante- og
Miljøvidenskab, Københavns
Universitet.
Henrik Lütken
Lektor og forsker i forskergruppen,
Floriculture and Translational Plant
Science ved Instititut for Planteog Miljøvidenskab, Københavns
Universitet.
Brian Christensen
R&D specialist ved AgroTech
A/S, Institut for Jordbrugs- og
Fødevareinnovation, Taastrup.
Inga Christensen Bach
Kommunikationsmedarbejder
ved Instititut for Plante- og
Miljøvidenskab, Københavns
Universitet og skrivende redaktør af
Planteforskning.dk
Specialer der har bidraget til denne forskning
Line Jensen:
Agrobacterium rhizogenes transformation and
expression studies of rol genes in Kalanchoë species
and hybrids
Martin Himmelboe:
Transformation of Ornamentals and Medicinal Plants of
Crassulaceae with rol genes
Jaime Pérez Molina:
Natural Transformation in an Environmental Perspective
Denne
artikel
er
produceret
med
Undervisningsministeriets udlodningsmidler.
støtte
af
5
Januar 2014