Planteforedling

Planteforedling går ut på å forbedre egenskaper hos våre kulturplanter ved å utvikle nye sorter som har egenskaper som ønskes.^[1] Det er viktige egenskaper som avlingsmengde, kvalitet, motstandsevne mot sykdom, veksttid, hardførhet og lagringsevne. Ved planteforedling endrer vi genene i en plante, derfor er kunnskap om genetikk (arvelære) viktig. I begrepet planteforedling ligger mange ulike teknikker fra enkel seleksjon av planter med ønskede egenskaper for oppformering til mer komplekse molekylære teknikker.^[2]

Utvikling av nye plantesorter er helt nødvendig for å øke matproduksjonen og for å gjøre jordbruket i stand til å takle nye plantesykdommer, nye produktkrav og produksjonsmetoder og kommende klimaendringer.

Allerede for 9000 år siden var det åkerbruk og dyrehold i Mesopotamia mellom Eufrat og Tigris. Langs de store elvene ble det utviklet landbruk: Nilen i Egypt, Indus i India, og Yangtze i Kina.^[3] Kulturplantene har blitt utviklet ved utvalg fra ville arter. I begynnelsen ble det samlet korn fra grasaks hvor frøene satt godt fast og ikke falt av under innhøstingen. Planter uten bitter smak ble valgt til matplanter. Planteforedling har derfor vært praktisert i tusener av år. Den har vært praktisert over hele verden av enkeltmennesker som bønder og hagebrukere, eller av mer profesjonelle planteforedlere ansatt i organisasjoner, statlige eller private forskningssenter.

Å gjøre utvalg var den opprinnelig metoden. For å få framgang, må utgangsmaterialet inneholde ulike linjer med ulike arveanlegg (ulike genotyper). En populasjon av en selvbefruktende plantesort, for eks. landsorter av bygg, havre og hvete, består av ulike linjer. I Norge ble de første utvalgene utført i 1902 ved NLH, nå NMBU. Det ble samlet inn lokale gårdssorter av korn, landsorter, og det ble gjort utvalg av de beste enkeltplantene. Disse ble oppformert og utprøvd, og man fikk renlinjesorter som var bedre enn de gamle landsortene.^[4]

I en populasjon av en kryssbefruktende plantesort som grasartene, gjøres det også utvalg. De utvalgte sortene blir ustabile fordi individene er krysningsprodukter. I hver generasjon oppstår nye varianter.

Ved kryssing overføres pollen (pollinerin)) fra en plante over til en annen plante som er genetisk forskjellig. Avkommet etter en krysning blir ustabilt i flere generasjoner og gir opphav til et stort antall ulike genetiske forskjellige linjer. Når avkommet er stabilt, gjøres et utvalg av rene, stabile linjer. Disse linjene blir oppformert og sammenlignet med de sortene som er vanlig brukt. Formålet ved en slik krysning er å kombinere flere verdifulle egenskaper, f.eks. innføre sykdomsresistens i en ellers god sort. Det mest arbeidskrevende arbeidet i planteforedlingen er finne om avkommet har de ønskede egenskapene. Planteforedling er et langsiktig arbeid.^[5]

Bioteknologiske metoder benyttes i moderne planteforedling, både som redskaper for å gjøre mer presist utvalg etter kryssing (markør-assistert seleksjon og genomseleksjon) og til å gjøre direkte endringer i plantenes DNA (gentransformasjon og genredigering).

En ulempe med klassisk planteforedling basert på kryssing er at det er tilfeldig hvilke gener fra de to foreldrene som kombineres i avkommet, og man må ofte teste tusenvis av avkomslinjer for å finne planter som har en ønsket kombinasjon av egenskaper fra de to foreldrene. Dette er tidkrevende arbeid som også kan være kostbart dersom man trenger å teste plantene i spesielle forsøk, for eksempel smitteforsøk med skadegjørende insekter som må utføres under kontrollerte betingelser for å teste plantenes resistensegenskaper. Her har man stor nytte av å bruke molekylære markører. I markør-assistert seleksjon benytter man seg av en kjent variasjon i plantenes DNA (markør) som er assosiert med den egenskapen man ønsker å foredle for. På denne måten kan man erstatte tidkrevende og kostbar testing med direkte utvalg basert på DNA-tester^[6]. Markør-assistert seleksjon er i dag en vanlig metode som benyttes i både små og store planteforedlingsprogram verden over, vanligvis i kombinasjon med tradisjonelt utvalg.

Genomseleksjon er en ny variant av markør-assistert seleksjon hvor man i stedet for å bruke noen få enkelt-markører for spesifikke egenskaper tar i bruk markører som dekker hele genomet til plantene når man gjør utvalg. Det er først og fremst nye metoder innen genomsekvensering og tilgangen på SNP (Single Nucleotide Polymorphism) markører som har gjort denne utviklingen mulig. Her benytter man seg av en såkalt treningspopulasjon hvor markørene genotypes på et sett med representative linjer med tilgjengelig data for alle viktige egenskaper man skal gjøre utvalg for. Ved hjelp av statistisk modellering lager man en seleksjonsmodell som beregner avlsverdien til en linje basert på markørdataene. Denne modellen blir så brukt til å gjøre utvalg i foredlingsmaterialet. Potensialet med denne metoden er stort siden man kan gjøre mer presist utvalg i tidlige generasjoner og dermed sparer tid og ressurser på å dyrke fram planter som senere viser seg å ikke holde mål. Genomseleksjon er allerede i bruk i norsk husdyravl^[7][8], og det forskes mye på å utvikle effektive metoder for å tilpasse denne teknikken også til planteforedling.

Gentransformasjon er en samlebetegnelse for ulike teknikker hvor man overfører DNA fra en organisme til en annen uten å gå veien gjennom krysning. En plante som har fått endret sitt DNA på denne måten kalles for en transgen plante, eller GMO (Genetically Modified Organism). Vanlige teknikker som benyttes ved gentransformasjon er bruk av jordbakterien Agrobacterium tumefaciens eller partikkelbombardering. Den første metoden benytter seg av en naturlig overføringsmekanisme som finnes hos denne bakterien til å sette inn sitt eget DNA i plantene som den infiserer, mens den andre metoden går ut på å fysisk «skyte» små metallpartikler med DNA inn i plantecellene. Felles for disse metodene er at DNA-et man ønsker å overføre kommer inn i cellekjernen og blir integrert i et eller flere av plantenes kromosomer. Fordi frekvensen av vellykket transformering kan være lav, og man ikke har kontroll på antall kopier og hvor i genomet det overførte DNA blir satt inn må man i etterkant gjøre utvalg av planter som har et stabilt uttrykk av det genet man har overført. Til hjelp for å velge ut transgene planter etter transformering er det vanlig å inkludere gener for antibiotikaresistens eller herbicidresistens i DNA-et som overføres. Man benytter vevskultur til å dyrke fram de transformerte plantecellene, og ved å tilsette herbicid eller antibiotika er det kun de cellene som har fått tilført genet for resistens som overlever og vil regenereres til planter. Gentransformasjon er mye brukt som et verktøy i genetisk forskning til å forstå geners funksjon og virkemåte. Innen kommersiell planteforedling er metodikken hovedsakelig tatt i bruk av store planteforedlingsfirma og konsentrert til kulturvekster med stor inntjening, slik som mais, soyabønne, raps og bomull. De vanligste egenskapene som er endret er herbicidresistens og insektresistens. En viktig årsak til denne utviklingen et strengt regelverk som krever mye dokumentasjon og kostbare patentrettigheter som i praksis gjør denne teknologien utilgjengelig for små planteforedlingsprogram uten finansielle muskler.

Oppdagelsen av enzymer som kutter DNA på helt spesifikke steder har gjort det mulig å gjøre målrettede endringer i de genene som allerede finnes i en organisme. CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palendromic Repeats) ble oppdaget i 2012 og CRIPSR/Cas9-metoden har raskt blitt tatt i bruk som verktøy for genredigering ikke bare i medisinsk forskning men også innen planteforedling og husdyravl^[9]. Teknologien er blant annet brukt til å gjøre brødhvete resistent mot mjøldogg ved å gjøre endringer i alle tre kopiene av mlo-genet ^[10]. mlo-resistens finnes som naturlig oppståtte mutasjoner i bygg og andre diploide arter, men fordi brødhvete har tre kopier av genet er det kun planter hvor alle tre genene er mutert som viser resistens, og sannsynligheten for at slike mutasjoner skal oppstå i naturlig er forsvinnende liten. Norsk lov krever at en organisme som har fått satt inn fremmed DNA i arvestoffet merkes som genmodifisert (GMO). Et foreløpig uavklart spørsmål er hvorvidt planter som er foredlet ved genredigering også skal omfattes av samme regelverk. Det svenske Jordbruksverket var tidlig ute og besluttet i november 2015 at dersom kun en del av plantens eget DNA er blitt fjernet og ikke noe «fremmed DNA» satt inn så skal ikke genredigering omfattes av regelverket for GMO^[6]. Verken Norge eller EU har per november 2016 etablert lover eller forskrifter som regulerer bruk av genredigering i planteforedling.

Ansvaret for planteforedlingen til jord- og hagebruksvekster i Norge er plassert i Graminor AS. De ble etablert i 2002, er plassert på Bjørke forsøksgård ved Hamar og har ca. 30 ansatte. For de fleste jordbruksvekstene som dyrkes i Norge, utprøves utenlandsk foredlingsmateriale hos Graminor i tillegg til den foredlingsvirksomheten de har selv på de viktigste artene.^[11]

Foredlingsvirksomheten innen kornartene bygg, havre og vårhvete utgjør den største virksomheten ved Graminor.^[12]

Bygg som dyrkes på ca. 45 % av det norske kornarealet, brukes i hovedsak til fôr. De viktigste foredlingsmålene er høy avling, god stråstyrke, resistens mot sykdommer og tidlighet.

Havre som også dyrkes på store arealer, brukes først og fremst til fôr, men andelen som brukes til mat har økt de siste årene. Viktige foredlingsmål er høy avling, god stråstyrke, resistens mot sykdommer og tidlighet, men også kvalitetsegenskaper som er viktig når kornet skal brukes til mat.

Hvete er den viktigste kornarten for matlaging. Derfor er egenskaper som påvirker kvaliteten av melet når det brukes til brød og annen mat, viktige foredlingsmål i tillegg til foredlingsmålene som vist for bygg og havre.

Rug er også en viktig kornart, 2/3-deler av produksjonen blir brukt til mat, vesentlig til baking. Derfor er kvalitetskravene for rug brukt som mat, svært viktige foredlingsmål.

Gras og kløver. Graminor har prioritert å jobbe med de viktige artene som timotei, engsvingel, engelsk raigras, og engbelgvekstene rødkløver og hvitkløver. Viktige egenskaper med hensyn til foredling er høy avling, god varighet, god fôrkvalitet og akseptabel frøsettingsevne. Det er viktig for Graminor at de prøver ut nytt materiale i de deler av landet som har stort engareal.

Poteter. Graminor har sortsforedling av poteter i tillegg til å representere utenlandske sorter. Viktige foredlingsmål er å tilpasse sortene til vårt klima samt forbrukernes smak, dvs. kort veksttid, stor avling, tidlig modning og god lagringsevne. Videre skal potetene ha god smak og konsistens samt ha god form, farge, holdbarhet og kokekvalitet. Poteter som brukes til chips og pommes frites har andre kvalitetskrav. For dyrkerne er det viktig at sortene har god resistens mot diverse sykdommer.

Bær. Graminor driver foredling innen jordbær og bringebær i tillegg til at de representerer utenlandske sorter i Norge.