Minikromosomteknologi – Den bedste måde at opnå bæredygtig vækst i afgrødeudbytte?

Landbrug som praksis har eksisteret så længe som den menneskelige civilisation. Gennem denne tid har nye teknologier periodisk beriget det. Som et resultat er landbrug blevet mere effektivt, tids- og omkostningsbesparende. Denne udvikling har set menneskelig arbejdskraft blive erstattet i stor grad, først af dyr og derefter af maskiner. På denne vækstkurve har en af de seneste tilføjelser været Minikromosomteknologien. 

Hvad er Minikromosomteknologi?

Minikromosomer er små strukturer, der findes inden i celler. Disse strukturer – selvom de er små i størrelse – kan gemme store mængder information gennem det genetiske materiale, de indeholder. 

Disse små strukturer er afgørende for landbrugsgenetiker, da de kan bruges til at forbedre planter ved at tilføje dusinvis af egenskaber til planten gennem dem. For eksempel kan de gøre planterne mere tørketolerante eller i stand til at udnytte kvælstof bedre. Interessant nok, selvom sådanne ændringer kan forbedre udbyttet betydeligt, ændrer de ikke plantens gener, hvilket resulterer i bredere accept blandt regulerende myndigheder og landmænd. 

Mens vi i de kommende afsnit vil se nærmere på funktionerne og specialiteterne ved minikromosomteknologien, er det nødvendigt at kende dens historie for bedre at forstå dens formål og mål. 

Klik her for at lære, hvordan robotteknologi overtager landbruget.

Minikromosomteknologiens oprindelse i korte træk

Minikromosomteknologien, også kendt som gen‑stacking, voksede ud af en opdagelse af Daphne Preuss, en af de mest succesfulde iværksættere inden for fødevarer og landbrug i verden. 

Baseret i Sorrento, Maine, USA, har Daphne Preuss haft mange roller i sin lange og strålende karriere. Fra november 2006 til december 2018 var Preuss administrerende direktør for Chromatin Inc., også kendt som Future Food.

Ifølge Gregory Copenhaver, som arbejdede på Preuss’ projekt, hvor hun oprindeligt arbejdede med Arabidopsis thaliana, en lille sennepsplante: 

“Daphne fandt en mutation med egenskaber, der gjorde det muligt for os at udvikle en genetisk kortlægningsteknik for planter. Vi udtænkte en teknik til at identificere centromeren, de præcise kromosomer som en celle griber fat i, når den skal flytte dem under deling. Vi formåede at finde ud af, hvordan vi selv kan gribe centromeren og bruge den til at arbejde med andre planter.”

Dette var det, der førte til udviklingen af minikromosomteknologien. Herefter grundlagde Copenhaver og Preuss virksomheden Chromatin Inc. og fik teknologien licenseret til virksomheden. Og dette er den korte historie bag minikromosomteknologiens oprindelse. 

Med denne information i hånden er det næste spørgsmål, der ganske åbenlyst opstår, hvorfor minikromosomteknologien har fået momentum. Der må have været anden lignende forskning på det tidspunkt, som overvejede at udnytte plantens genetik for at forbedre udbytte og produktionsvolumen af afgrøder. Copenhaver havde et svar på det. 

Hvad gjorde minikromosomteknologien bemærkelsesværdig?

Ifølge Copenhaver var det allerede kendt, hvordan man kan ændre planter ved at indsætte gener i deres kromosomer. Dog led de teknologier, der eksisterede i årtier, under tilfældighed. Der var ingen sikkerhed for, hvad resultatet ville blive. 

Selv hvis genet kunne indsættes i en eksisterende kromosom, kunne dens landingsposition påvirke dets funktion. Processen løb også risiko for at forstyrre andre gener under indsættelsesprocessen. 

Denne usikkerhed førte til, at eksisterende processer blev omstændelige og svære at udføre. Efter at have arbejdet med tusindvis af planter, kunne forskerne kun få succes i et begrænset antal tilfælde, hvor ændringen gav de ønskede resultater. 

Minikromosomteknologien bragte sikkerhed til processen. Ifølge Copenhaver gjorde processen det “nemmere at overføre egenskaber.” Det gjorde ny planteavl “hurtigere, bedre, billigere og mere forudsigelig”.

Hvor langt er minikromosomteknologien kommet?

Forskning i minikromosomteknologien har indtil nu ført til mange afslørende indsigter. For eksempel har minikromosomer ingen egne gener. Denne egenskab – sammen med deres lille størrelse – gør, at minikromosomer kan fungere som supervektorer til at udtrykke fremmede gener. Fordelagtigt forstyrrer de i denne proces kun minimalt værtsplantens vækst- og udviklingsmønstre. 

Minikromosomer forbliver stabile under mitose og meiose. Denne egenskab hjælper de indlejrede gener med at udtrykke sig og overføres fra celle til celle, fra en generation til den næste. Tilføjelse, sletning og udskiftning af gener i minikromosomer er enkelt. Alt hvad der kræves, er et SSR-system: Simple Sequence Repeat. 

Minikromosomteknologi – som den står i dag – er nyttig for vores landbrugspraksis på flere måder. Den kan hjælpe med at udvikle plantgener, der er herbicidtolerante og skadedyrsresistente. 

• Den første type gen muliggør ukrudtskontrol. 
• Den anden type reducerer behovet for pesticider, sænker landbrugsomkostningerne og gør afgrøderne sundere. 

Desuden forbereder denne teknologi grundlaget for mere effektiv genetisk engineering på afgrøder og planter, så deres udbytte stiger. Den har potentialet til at hjælpe med at dyrke flere afgrøder med samme mængde naturlige ressourcer. 

Udviklingen af kunstig kromosomteknologi og effektive gen‑samlingsmetoder til forudsigende målrettet redigering af genomer er mulig ved løbende innovation inden for minikromosomteknologi. 

Men hvorfor har vi brug for at øge udbyttet, mens omkostningerne og ressourceforbruget holdes de samme eller helst lavere? Det skyldes, at den globale befolkning vokser, og den dyrbare jord, vi har til rådighed, ikke kan udvides. Denne ubalance mellem udbud og efterspørgsel er, hvor udbytteforøgende teknologier som minikromosomer kommer til undsætning. 

Den globale efterspørgsel efter mad vil stige

Ifølge opsummeringsrapporten præsenteret af Fødevare- og Landbrugsorganisationen i FN, kan verdens befolkning vokse med over en tredjedel, eller 2,3 milliarder mennesker, mellem 2009 og 2050. Dette vil føre til en enorm efterspørgsel efter mad. 

For eksempel kan efterspørgslen efter korn, både til fødevarer og dyrefoder, nå omkring 3 milliarder ton i 2050. Rapporten anslår også, at for at brødføde en global befolkning på 9,1 milliarder i 2050, skal den samlede fødevareproduktion øges med næsten 70 % mellem 2005/07 og 2050. I udviklingslande skal væksten næsten fordobles. 

FAO mener, at disse mål kun kan opnås ved at implementere udbytteforøgende teknologier. Det fastslår tydeligt, at op til 90 % af væksten i afgrødeproduktionen skal komme fra højere udbytter og øget afgrødedensitet, mens resten skal komme fra udvidelse af landbrugsarealer. 

Mens effektiviteten i afgrødeproduktionen og udbytteforøgelser er en realitet, er der også behov for at gøre afgrøder resistente over for uforudsigeligt vejr som en bivirkning af klimaforandringerne verden over. 

Vi har allerede set, at minikromosomteknologien hjælper med at producere tørketolerante afgrøder. Men for at producere sådanne afgrøder i større skala, har verden brug for flere og flere investeringer fra regeringer såvel som store multinationale virksomheder. Det gode er, at sådanne eksempler allerede findes. 

Hvis vi følger sporet fra Chromatin Inc. oprettet med sin opdagelse, vil vi se, at mange store globale virksomheder har udtrykt interesse for deres teknologi i flere år. Først ser vi på disse interesseudtryk, og derefter vil vi dykke dybere ned i disse virksomheder for at forstå de relevante løsninger, de måtte have inden for dette område.  

• I 2007 gav Chromatin Syngenta Biology Inc. en ikke‑eksklusiv licens til at bruge teknologien til majs og soja.
• Efter Syngenta indgik virksomheden også en aftale med Dow AgroSciences om forskning i at kombinere deres minikromosomteknologi med Dows teknologi. 
• Den indgik også en aftale med Bayer Crop‑science om at anvende teknologien i deres bomuldsplanter. 

Vi vil nu se på de relevante udbytteforøgende udviklinger, som disse tre multinationale virksomheder har gennemført med succes indtil nu. 

1. Syngenta Biology Inc.

Syngenta har fortsat med at udvikle afgrøder med frøegenskabsteknologier, der er mere effektive. Syngentas egenskabskonverteringsaccelerator har introduceret majsfrøprodukter, der bruger banebrydende teknologier for hurtigt at blive klar til markedet. 

Mens de fortsat har integreret teknologier som minikromosomer, har de arbejdet intensivt på at fremme felterne inden for molekylærbiologi, biokemi, plante‑transformation og anvendt genomik. Deres produkter, såsom Agrisure Artesian, Agrisure Duracade, Agrisure Viptera og Enogen, har leveret troværdige frøteknologiløsninger, der hjælper landmænd med at beskytte deres udbytte mod uforudsigelige nedbørsmængder samt destruktive insekter og skadedyr.

Den 9. november 2023 annoncerede Syngenta Group sine finansielle resultater for de første ni måneder og tredje kvartal af 2023. Salget for de første ni måneder af 2023 var US$24,3 milliarder, 6 % lavere år‑til‑år. EBITDA var 22 % lavere sammenlignet med 2022.  

2. Dow AgroSciences

Dow Corporation har en række afgrødeløsninger, der inkluderer løsninger til at optimere plantevækst, mens ressourceforbruget minimeres. Dow sikrer, at deres afgrødeløsninger hjælper med at reducere tab ved at beskytte afgrøder mod insekter, ukrudt og sygdomme. De leverer også en effektiv fordeling af næringsstoffer og vand, samtidig med at de muliggør pesticidsyntese med pålidelige byggesten. 

Dow offentliggjorde sine tredje kvartalsresultater for 2023 den 24. oktober 2023. Virksomheden registrerede nettoomsætning på US$10,7 milliarder, 24 % lavere i forhold til samme periode året før. GAAP indtjening pr. aktie var US$0,42, mens driftsindtjening pr. aktie (EPS) var US$0,48, sammenlignet med US$1,11 året før og $0,75 i foregående kvartal.

3. Bayer Crop Science

Bayer Crop Sciences, en del af Bayer Global, fokuserer på innovationer inden for frø og egenskaber samt afgrødebeskyttelse. Deres innovationer har hjulpet deres bioteknologiske forskere med at foretage målrettede forbedringer i plantens DNA. Deres løsninger hjælper med at kontrollere ukrudt gennem indbygget herbicidtolerance og hjælper landmænd med at bevare frøenes genetiske potentiale, mens de dyrker mere effektivt med væsentligt reduceret miljøpåvirkning. 

Ifølge Bayer er fordelene ved afgrødebeskyttelse enorme. Beskyttelsesmekanismen sikrer omkring 30 % af udbyttet på verdensplan, svarende til 550 millioner ton mad, som kunne brødføde mere end 2 milliarder mennesker. 

Bayers sortiment af afgrødebeskyttelsesløsninger omfatter herbicider, fungicider og insekticider. Alle deres løsninger drives af banebrydende kemi, biologiske innovationer og datadrevne feltindsigter. Den præcise anvendelse af deres teknologier resulterer i højt avancerede frø og egenskaber. 

I regnskabsåret 2022 registrerede Bayer Group en samlet omsætning på 50,739 milliarder euro, en stigning på 8,7 % på valuta‑ og porteføljejusteret basis. EBITDA før særposter steg med 20,9 % til 13,513 milliarder euro.

Fremtiden for minikromosomteknologi

Den voksende befolkning, uforudsigeligt klima og manglen på mulige udvidelser af dyrkbart jordareal verden over er faktorer, der fører til behovet for stadig mere avancerede afgrødeteknologier som minikromosomer. Det mest lovende ved minikromosomteknologien er, at den baner vejen for flere lignende teknologier, der kan opstå. 

Tilgængelig forskning viser, at effektive genetiske ændringer kan hjælpe en plante med at vokse bedre trods ugunstige forhold omkring den. Majsudbyttet er for eksempel steget med 10 %. Ikke kun er deres produktion steget, men disse majs har også fået bedre tørketolerance, højere lysinindhold og øgede evner til at producere ethanol. 

Genetisk engineering, bygget på teknologier som minikromosomer, kan modstå kartoffelkløft samtidig med at brugen af kemiske svampemidler reduceres med op til 90 %. Ikke kun har kartoffeldyrkning nu mindre miljøpåvirkning, men produktet har langt færre blå mærker og sorte pletter. Opbevaringsevnen for disse kartofler er steget, og den mindskede brug af kemikalier i deres produktion har gjort dem mindre skadelige for vores sundhed. 

Ikke kun majs og kartofler, men minikromosomteknologien forbedrer også produktionen af arktiske æbler, papayavarianter på Hawaii, sommersquash og zucchini. Den har hjulpet med at beskytte frugter mod brunfarvning, samtidig med at deres næringsværdi og smag bevares. Den har vist sig effektiv mod ringspotvirus, gul mosaikvirus og mange andre lignende skadelige varianter. Den har endda hjulpet med at udvikle sojaolier, der indeholder nul trans‑fedt, som er skadeligt for vores hjertekar‑sundhed. 

Samlet set kommer den stigende interesse for innovative landbrugsteknikker som minikromosomer på et tidspunkt, hvor øget afgrødeudbytte er en global prioritet, og det skal ske mere bæredygtigt med mindre CO₂‑aftryk. Det er her, minikromosomteknologien skinner klart, da den hjælper med at opnå begge dele. Derfor kan man med rimelighed forvente, at der i de kommende dage vil komme flere investeringer og forskningsmidler ind i dette område. 

Klik her for at lære, hvordan konstruerede plante‑mikrobiomer beskytter afgrøder mod bakterier.