Minikromosomteknik – det bästa sättet för hållbar tillväxt i grödavkastning?

Jordbruk som praktik har funnits så länge som mänsklig civilisation. Under denna tid har nya teknologier periodiskt berikat det. Som ett resultat har jordbruk blivit mer effektivt, tids- och kostnadsbesparande. Denna utveckling såg mänsklig arbetskraft ersättas i stor utsträckning, först av djur och sedan av maskiner. I denna tillväxtbana har en av de senaste tillskotten varit minikromosomtekniken. 

Vad är minikromosomteknik?

Minikromosomer är små strukturer som finns i celler. Dessa strukturer – även om de är små till storleken – kan lagra stora mängder information genom det genetiska material de innehåller. 

Dessa små strukturer är avgörande för jordbruksgenetiker eftersom de kan användas för att förbättra växter genom att lägga till dussintals egenskaper till växten via dem. Till exempel kan de göra växterna mer torktåliga eller bättre på att utnyttja kväve. Intressant nog, även om sådana modifieringar kan förbättra avkastningen avsevärt, förändrar de inte växtens gener, vilket leder till bredare acceptans bland regulatoriska myndigheter och jordbrukare. 

Medan vi i de kommande avsnitten kommer att gå in på minikromosomteknikens funktioner och specialiteter i detalj, behöver vi känna till dess historia för att bättre förstå dess syfte och mål. 

Klicka här för att lära dig hur robotik tar över jordbruket.

Minikromosomteknikens uppkomst i korthet

Minikromosomtekniken, även känd som gen‑stackning, växte fram ur en upptäckt av Daphne Preuss, en av de mest framgångsrika entreprenörerna inom mat och jordbruk i världen. 

Baserad i Sorrento, Maine, USA, har Daphne Preuss haft många roller under sin långa och lysande karriär. Från november 2006 till december 2018 var Preuss VD för Chromatin Inc., även känt som Future Food. 

Enligt Gregory Copenhaver, som arbetade med Preuss projekt där hon ursprungligen arbetade med Arabidopsis thaliana, en liten senapsväxt: 

“Daphne hittade en mutation med egenskaper som gjorde att vi kunde utveckla en genetisk kartläggningsteknik för växter. Vi utvecklade en teknik för att identifiera centromeren, den exakta platsen på kromosomerna som en cell greppar när den behöver flytta dem under delning. Vi lyckades ta kontroll över centromeren själva och använda den för att arbeta med andra växter.”

Detta ledde till utvecklingen av minikromosomtekniken. Framåt grundade Copenhaver och Preuss företaget Chromatin Inc. och licensierade teknologin till företaget. Och detta är den korta historien bakom minikromosomteknikens uppkomst. 

Med denna information i våra händer är nästa fråga som är ganska uppenbar för oss varför minikromosomtekniken fick fart. Det måste ha funnits annan liknande forskning vid den tiden som övervägde att utnyttja växtgenetik för bättre avkastning och produktionsvolym av grödor. Copenhaver hade ett svar på det. 

Vad gjorde minikromosomtekniken särskilt framstående?

Enligt Copenhaver var det redan känt hur man kan förändra växter genom att införa gener i deras kromosomer. Men de teknologier som funnits i årtionden led av slumpmässighet. Det fanns ingen säkerhet för vad resultatet skulle bli. 

Även om genen kunde infogas i en befintlig kromosom, kunde dess infogningsposition påverka dess funktion. Processen innebar också risken att andra gener stördes under infogningsprocessen. 

Denna osäkerhet gjorde befintliga processer besvärliga och svåra att genomföra. Efter att ha arbetat med tusentals växter kunde forskarna bara lyckas i ett begränsat antal fall där förändringen gav önskat resultat. 

Minikromosomtekniken gav säkerhet till processen. Enligt Copenhaver gjorde processen det “enklare att föra vidare egenskaper”. Den gjorde ny växtförädling “snabbare, bättre, billigare och mer förutsägbar”. 

Hur långt har minikromosomtekniken utvecklats?

Forskning om minikromosomtekniken har hittills lett till många avslöjande insikter. Till exempel har minikromosomer inga egna gener. Denna egenskap – tillsammans med dess lilla storlek – gör att minikromosomer fungerar som supervektorer för att uttrycka främmande gener. Fördelaktigt stör de i denna process minimalt värdens tillväxt- och utvecklingsmönster. 

Minikromosomer förblir stabila under mitos och meios. Denna egenskap hjälper de invaderade generna att uttryckas och överföras från cell till cell, från en generation till nästa. Att lägga till, ta bort och ersätta gener i minikromosomer är enkelt. Allt som krävs är ett SSR‑system: Simple Sequence Repeat. 

Minikromosomteknik – i dess nuvarande form – är till nytta för våra jordbrukspraxis på flera sätt. Den kan hjälpa till att utveckla växtgener som är herbicidtoleranta och skadeinsektsresistenta. 

• Den första genen underlättar ogräsbekämpning. 
• Den andra minskar behovet av bekämpningsmedel, vilket sänker jordbrukskostnaderna och gör grödorna hälsosammare. 

Dessutom förbereder denna teknik marken för mer effektiv genetisk ingenjörskonst på grödor och växter så att deras avkastning ökar. Den har potential att hjälpa till att odla fler grödor med samma mängd naturresurser. 

Utvecklingen av artificiell kromosomteknik och effektiva gen‑sammanställningsmetoder för att förutseende rikta och redigera genom är möjlig genom kontinuerlig innovation av minikromosomtekniken. 

Men varför kräver vi att avkastningen ska öka samtidigt som kostnaderna och resursanvändningen hålls desamma eller helst lägre? Det beror på att den globala befolkningen ökar och den odlingsbara marken vi har till förfogande inte kan ökas. Denna obalans mellan utbud och efterfrågan är där avkastningsökande teknologier som minikromosomer kommer till undsättning. 

Den globala efterfrågan på mat kommer att öka

Enligt sammanfattningsrapporten presenterad av FN:s livsmedels- och jordbruksorganisation, kan världens befolkning öka med mer än en tredjedel, eller 2,3 miljarder människor, mellan 2009 och 2050. Detta skulle leda till en enorm efterfrågan på mat. 

Till exempel kan efterfrågan på spannmål, både för livsmedel och djurfoder, nå omkring 3 miljarder ton år 2050. Rapporten uppskattar också att för att föda en global befolkning på 9,1 miljarder människor år 2050 krävs en ökning av den totala livsmedelsproduktionen med nästan 70 procent mellan 2005/07 och 2050. I utvecklingsländer bör tillväxten vara nästan 100 procent. 

FAO anser att dessa mål endast kan uppnås genom att använda avkastningsökande teknologier. Den tydliggör att så mycket som 90 % av tillväxten i grödproduktion måste komma från högre avkastning och ökad odlingsintensitet, med resten från markexpansion. 

Samtidigt som förbättring av effektiviteten i grödproduktionen och ökning av avkastningsgraden är en realitet, finns också ett behov av att göra grödor motståndskraftiga mot oförutsägbart väder som uppstår som en biprodukt av klimatförändringarna världen över. 

Vi har redan sett att minikromosomtekniken hjälper till att producera torktåliga grödor. Men för att producera sådana grödor i större skala behövs allt mer investeringar från både regeringar och stora multinationella företag. Det positiva är att sådana exempel redan finns. 

Om vi följer spåret Chromatin Inc. skapat med sin upptäckt, skulle vi se att många stora globala företag har uttryckt intresse för dess teknik under flera år. Först tittar vi på dessa intresseuttryck, och sedan går vi djupare in i dessa företag för att förstå de relevanta lösningarna de kan ha inom detta område.  

• 2007 beviljade Chromatin Syngenta Biology Inc. en icke‑exklusiv licens för att använda tekniken för majs och sojabönor.
• Efter Syngenta ingick företaget även ett avtal med Dow AgroSciences för forskning om att kombinera sin minikromosomteknik med Dows teknik. 
• Det undertecknade också ett avtal med Bayer Crop‑science för att använda tekniken i sina bomullsväxter. 

Vi kommer nu att titta på de relevanta avkastningsökande utvecklingarna som dessa tre multinationella företag fram till dess har genomfört framgångsrikt. 

1. Syngenta Biology Inc.

Syngenta har fortsatt att utveckla grödor med fröegenskaps­teknologier som är mer effektiva. Syngentas accelererare för egenskapskonvertering har introducerat majsfröprodukter som använder banbrytande teknologier för att snabbt bli marknadsklara. 

Samtidigt som den har fortsatt att integrera teknologier som minikromosomen, har den arbetat omfattande för att främja områdena molekylärbiologi, biokemi, växttransformation och tillämpad genomik. Dess produkter, såsom Agrisure Artesian, Agrisure Duracade, Agrisure Viptera och Enogen, har erbjudit trovärdiga fröteknologilösningar för att hjälpa jordbrukare att skydda sin avkastning mot oförutsägbar nederbörd samt destruktiva insekter och skadedjur.

Den 9 november 2023 meddelade Syngenta Group sina finansiella resultat för de första nio månaderna och tredje kvartalet 2023. Försäljningen för de första nio månaderna 2023 var US$24,3 miljarder, ner 6 % år‑till‑år. EBITDA var 22 % lägre jämfört med 2022.  

2. Dow AgroSciences

Dow Corporation har ett sortiment av grödlösningar som inkluderar lösningar för att optimera växttillväxt samtidigt som resursanvändningen minimeras. Dow säkerställer att deras grödlösningar hjälper till att minska förluster genom att skydda grödor mot insekter, ogräs och sjukdomar. De levererar också en effektiv fördelning av näringsämnen och vatten samtidigt som de möjliggör syntes av bekämpningsmedel med pålitliga byggstenar. 

Dow publicerade sina resultat för tredje kvartalet 2023 den 24 oktober 2023. Företaget registrerade nettoförsäljning på US$10,7 miljarder, ner 24 % jämfört med föregående år. GAAP vinst per aktie var US$0,42, medan rörelseresultat per aktie (EPS) var US$0,48, jämfört med US$1,11 föregående år och $0,75 föregående kvartal.

3. Bayer Crop Science

Bayer Crop Sciences, en del av Bayer Global, fokuserar på innovationer kring frön, egenskaper och växtskydd. Dess innovationer har hjälpt bioteknologiforskare att göra riktade förbättringar i växternas DNA. Dess lösningar hjälper till att bekämpa ogräs genom inbyggd herbicidtolerans och hjälper jordbrukare att bevara det genetiska potentialet i sina frön samtidigt som de odlar mer effektivt med avsevärt minskad miljöpåverkan. 

Enligt Bayer är fördelarna med växtskydd enorma. Växtskyddsmekanismen skyddar cirka 30 % av avkastningen världen över, motsvarande 550 miljoner ton mat som kan föda mer än 2 miljarder människor. 

Bayers sortiment av växtskyddslösningar omfattar herbicider, fungicider och insektsmedel. Alla dess lösningar drivs av banbrytande kemi, biologiska innovationer och datadrivna fältinsikter. Den precisa tillämpningen av dess teknologier resulterar i högavancerade frön och egenskaper. 

Under räkningsåret 2022 registrerade Bayer Group en koncernomsättning på 50,739 miljarder euro, upp 8,7 % på en valuta‑ och portföljjusterad basis. EBITDA före specialposter ökade med 20,9 % till 13,513 miljarder euro.

Framtiden för minikromosomteknik

Den växande befolkningen, oförutsägbart klimat och bristen på möjlig tillväxt av odlingsbar mark världen över är faktorer som leder till behovet av allt mer avancerade teknologier för grödproduktion som minikromosomer. Den mest lovande aspekten av minikromosomtekniken är att den banar väg för fler och fler liknande teknologier att uppstå. 

Tillgänglig forskning visar att effektiva genetiska förändringar kan hjälpa en växt att växa bättre trots ogynnsamma förhållanden omkring den. Majsavkastningen har till exempel ökat med 10 %. Inte bara har deras produktion ökat, utan dessa majs har också blivit bättre med större torktolerans, högre lysininnehåll och ökad förmåga att producera etanol. 

Genetisk ingenjörskonst, byggd på teknologier som minikromosomer, kan motstå potatisbladmögel samtidigt som användningen av kemiska svamphämmare minskas med upp till 90 %. Inte bara har potatisodling nu mindre miljöpåverkan, utan produkten har också mycket färre blåmärken och svarta fläckar. Förvaringskapaciteten för dessa potatisar har ökat, och den minskade användningen av kemikalier vid deras produktion har gjort dem mindre skadliga för vår hälsa. 

Inte bara majs och potatis, utan minikromosomtekniken förbättrar också produktionen av arktiska äpplen, papayavarianter på Hawaii, sommarsquash och zucchini. Den har hjälpt till att skydda frukter från brunning samtidigt som deras näringsvärde och smak bevaras. Den har visat sig effektiv mot ringspotvirus, gult mosaikvirus och många andra liknande skadliga varianter. Den har även bidragit till att utveckla sojabönoljor som innehåller noll transfett, vilket är skadligt för vår hjärthälsa. 

Sammanfattningsvis kommer det ökande intresset för innovativa jordbrukstekniker som minikromosomer i en tid då ökad grödavkastning är en global prioritet, och dessutom på ett mer hållbart sätt med mindre koldioxidavtryck. Det är här minikromosomtekniken lyser starkast, eftersom den hjälper till att uppnå båda målen avsevärt. Därför kan man rimligtvis förvänta sig mer investeringar och forskningsfinansiering inom detta område under de kommande dagarna. 

Klicka här för att lära dig hur konstruerade växtmikrobiomer skyddar grödor från bakterier.