Bioteknologi med faglige briller – muligheder og visioner

Preben Bach HolmInstitut for Genetik og Bioteknologi

Aarhus Universitet

Det Jordbrugsvidenskabelige Fakultet

Forskningscenter Flakkebjerg

4200 Slagelse

Foreningen af Danske Svinekonsulenter

Nytårskuren 7. og 8. januar 2010

Vejlefjord Hotel

Plante-produkter

Den globale befolkningsudviklingDen globale befolkningsudvikling

www.nhn.ou.edu Lutz et al. Nature 412, 543-545, 2001

40% stigning

60% stigning

Det totale behov for korn- og kødprodukter 1992-2020

Korn Kødprodukter

Bioethanol (biodiesel, biomasse)

”Fuel for the cars – food for the people”

Klimaændring

Højere temperaturer

Større skift i vejret

Abiotisk stress:

Tørke

Oversvømmelse

Høj saltholdighed

Mineral tilgænge-lighed og toksicitet

Biotisk stress:

Vira

Bakterier

Svampe

Insekter og orme

Reduceret udbytte

Lavere produkt kvalitet

Klima ændring

Fordobling af CO2 niveauet ved slutningen af

århundredet

• Forøget udbytte – stivelse og sukre

• Forbedret vandudnyttelse

• Forbedret kvælstofudnyttelse

• Reduceret protein kvantitet og kvalitet

• Reduceret vitamin og mineral indhold

Thomas R. Malthus (1776-1834)Thomas R. Malthus (1776-1834)

Ændringer i ris- og hvedeudbytte og produktion

Ændringer i ris- og hvedeudbytte og produktion

Årsager til produktivitets- og udbyttestigningerÅrsager til produktivitets- og udbyttestigninger

Agronomi (50%)

• Kunstvanding

• Gødskning

• Pesticider

• Mekanisering

• Viden

Planteforædling (50%)

• Sygdomsresistens

• Højere udbytte

• Plantearkitektur

• Opbevaring

• Bedre såsæd

• Viden

Udvidelse af det dyrkede areal: 100 mill ha (1960-2000)

1960-2000: Fordobling af udbyttet

Omkostninger og problemerOmkostninger og problemer

• Opbygning af højt saltindhold

• Erosion

• Forurening med pesticider

• Forurening med næringsstoffer

• Reduktion i arealerne for naturlige økosystemer

• Snævrere fødevaregrundlag

• Dårligere ernæringsmæssige egenskaber

Indtil nu har det været muligt for fødevareproduktionen at holde trit med befolkningsudviklingen. Dette skyldes:

Det vil være muligt at forøge udbytterne via inddragelse af marginaljord og yderligere anvendelse af kunstvanding, gødskning og pesticider

MEN:

Mere af det samme vil ikke løse problemet!

•Udvikling af nye plantesorter med bedre udbytte og sygdomsresistens (50%)

• Udvikling af bedre dyrkningsteknologi, herunder anvendelse af kunstvanding, kunstgødning og pesticider (50%)

Den nye Grønne Revolution skal være

dobbelt grøn,

en Biorevolution

Der er behov for en ny Grøn Revolution

Baggrund

• Forståelsen af den genetisk basis for planters egenskaber udvikler sig i disse år meget hurtigt

• Dette skyldes udvikling af en række genetiske værktøjer og teknikker, der muliggør langt mere omfattende og detaljerede analyser end tidligere

• Vi vil få en omfattende viden om vore kulturplan-ters egenskaber indenfor områder som:

• Human og animalsk ernæring

• Sygdomsresistens

• Udnyttelse af næringsstoffer

• Tolerance overfor kulde og tørke

Planteforædlere og aftageindustrien vil få en lang række nye muligheder

Etik Religion

Globalisering

MiljøSundhed

Økologi

Risiko

Nytteværdi

Multinationale selskaber

Patenter

Udviklingslande

Genetisk modificerede planter

Genetisk modificerede planter

RoundUp Resistens

RoundUp (glyphosate) påvirker EPSPS enzymet(5-enolpyruvylshikimate 3-phosphate synthase)

Shikimate3-phosphate EPSPS

PhenylalanineTyrosine

Tryptophan

RoundUp

Shikimate3-phosphate EPSPS

PhenylalanineTyrosine

Tryptophan

Planten dør af man-gel på aminosyrer

Gensplejsning med gen for EPSPS fra Agrobakterium

eller majs, som ikke blokeres af glyphosat

Vinderosion i U.S.A.Vinderosion i U.S.A.

European Corn Borer

Insektresistent Bt bomuld

Angreb af møllarver forårsager meget store udbyttetab, og der sprøjtes meget hyppigt med bredspektrede insekticider.

• Dyrkning af bomuld er opgivet i en række områder på grund af udvikling af resistens mod insekticiderne.

• Dyrkningsmæssige fordele

• Permanent beskyttelse

• Stor fremgang i udbytte• Miljømæsssige fordele

• Reduktion i mængden af insektmidler

• For Kina taler man om en reduktion i insekticidanvendelsen på 60-80%

Virus resistent papaya

50% af USA’s papaya produktion er idag GM virus-resistent (Hawaii)

Brookes G and Barfoot P (2006): Global impact of biotech crops: Socio-economic and environmental

effect in the first ten years of commercial use. AgbioForum 9, 139-151

• Forøget nettoindkomst for GM-dyrkerne på US$ 27 milliarder

• Reduktion i pesticid forbruget på 224.000 tons aktivt stof

• 15% reduktion i den såkaldte ”Environmental Impact Quotient” (EIQ), som er et mål for mængden af aktivt stof, giftighed og nedbrydnings-hastighed

• Dyrkningen af GM-afgrøder har ført til en reduktion i udledningen af CO2 på 1 mill tons på grund af mindre kørsel i marken og 8 million tons CO2 er blevet bundet i jorden på grund af reduceret jordbearbejdning

• Dyrkningen af især GM-bomuld har ført til forøget indtjening i udviklingslandene og har haft positive effekter på landarbejdernes sundhed.

Monsanto: Forskning og udvikling Monsanto: Forskning og udvikling

2006 pipeline Gen identifik-

ation

Proof of concept

Fase 2 Fase 3 Fase 4

2. Gen. Insekt- og herbicidresistens

Tørketolerant majs, sojabønner og bomuld

Majs og sojabønner med højere udbytte

Højværdi majs og sojabønner

Fodermajs med balanceret proteinsammensætning

Sojabønner med bedre proteinsammensætning

Sojabønner med olier der giver færre transfedtsyrer

Sojabønner der laver omega-3 fedtsyrer

Mars og VenusMars og Venus

Amerikansk lovgivning: Bestemt af plantens ka-raktertræk

Europæisk lovgivning: Bestemt af den anvend-te forædlingsteknik

Forbedring af:

• Fosfatudnyttelsen

• Aminosyre sammensætningen

• Fordøjelsen af cellevægge

• Fordøjelse af stivelse

Reduceret N og P udledning til omgivelserne

++

• Fytinsyre er generelt set ufordøjeligt for enmavede dyr.

Fytinsyre

O

OO P

O

H O

OO P

O

O

OO P

O

O

O OP

O

O

OHO P

O

O

OO P

O H

H

H HH

1

2

34

5

6

++

++

Mg++

Fe

Ca

Ca

Zn++

• Fytinsyre er den vigtigste antinutritionelle komponent og hæmmer biotilgænge-ligheden af især zink, kob-ber, calcium og jern.

• Fytinsyre hæmmer biotil-gængeligheden af amino-syrer/ protein og stivelse

Fytase

Al konventionel svinefoder er idag tilsat fytase

Tilsætning af mikrobiel fytase (FTU/kg)

Johansen og Poulsen 2003

Fo

rdø

jelig

t fo

sfo

r, g

/kg

fo

de

r

Byg/hvede

Majs

Transformation af byg og hvede

Konstitutiv

Endosperm specifik

Byg og hvede transformation Guldpartikel

bombardment Umodne embryoer

Regeneration af transgene planter

på Bialaphos

Småplanter regeneret fra kallus

Promoter type

Molekylær og biokemiske analyseraf afkom

• Der er udviklet GM-sorter af sojabønner, lucerne og raps, der er ligeså effektive til at nedbryde fytinsyren som tilsat fytase

• Syngenta har udviklet GM-majs, der laver så store mængder fytase, at majskernerne kan bruges som additiv

• Vi har udviklet en række hvede og byg GM-linier, der producerer store mængder af fytase, herunder varmestabile fytaser

• Vi er ved at karakterisere byggens og hvedens egne fytasegener og vil bruge dem til udvikling af såvel konven-tionelle som gensplejsede byg og hvede prototyper

Problemer vedrørende byg og hvedes aminosyresam-mensætning for anvendelse som svinefoder

• Byg- og hvedekerner har et lavt indhold af essentielle aminosyrer, i særdeleshed lysin, threonin, methionin, leucin, valin og isoleucin (histidin og tryptophan).

• Byg og hvede anvendt til svinefoder må derfor tilsæt-tes soja- eller rapsprotein, fiskemel eller industrielt fremstillede aminosyrer.

• Byg- og hvedekerner indeholder et for højt indhold af aminosyrerne glutamin og prolin. Disse kan ikke udnyttes fuldt ud af enmavede dyr, og den uudnyttede kvælstof udskilles og giver et unødvendigt højt kvælstofindhold i urinen.

Aminosyre sammensætning i forskelligt foder% af total aminosyre indhold

Aminosyre sammensætning i forskelligt foder% af total aminosyre indhold

Valin, %

Leucin, %

Isoleucin, %

Tryptophan, %

Threonin, %

Methionin, %

Lysin, %

Rå protein, %

3,43,03,66,17,1

4,94,65,05,25,4

6,46,56,77,68,1

3,63,63,75,04,1

1,21,21,21,21,2

3,02,93,33,84,6

1,71,51,61,31,8

10,09,810,244,2

TriticaleHvedeBygSojaskråIdeal protein - for svin

Kilde: S. Boisen

Bygkernens proteinerBygkernens proteiner

Hordein

Albumin

Globulin

Glutelin

God aminosyre sammen-sætning

D

B

CMeget dårlig

aminosyreprofil (- svovl)

Dårlig aminosyreprofil (+svovl)

B-, C-, D- og -hordein

Bygkernens proteinerBygkernens proteiner

Albumin

Globulin

Glutelin

God aminosyre sammen-sætning

D

B

C

Meget dårlig aminosyreprofil (- svovl)

Dårlig aminosyreprofil (+svovl)

B-, C-, D- og -hordein

Ala

nin

Arg

inin

Asp

arag

in

Cys

tein

Glu

tam

in

Gly

cin

His

tid

in

Iso

leu

cin

Leu

cin

Lys

in

Met

hio

nin

Ph

enyl

alan

in

Tyr

osi

n

Pro

lin

Ser

in

Th

reo

nin

Val

in

GM 1

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

GM 1

GM 2

% ændring i aminosyreindhold i GM byg

Reduktion af ikke-essentielle aminosyrer i korn (fx 30 pct. reduktion ved genteknologi)Reduktion af ikke-essentielle aminosyrer i

korn (fx 30 pct. reduktion ved genteknologi)

Hvede

Protein, % 9,8

Ikke-essentielle aminosyrer, g/kg 49

Reduktion, 30 pct. 15

Heraf fordøjeligt, g/kg korn 14

Heraf g N/kg korn 2,2

Reduceret N-udledning pr. slagtesvin, g

300

Norm udledning pr. slagtesvin 3,3 kg N

Reduktion i pct. 9

Kilde: Danske slagterier

Samme art

Alle gener i alle organismer

Genetisk modifikation

Ny sortNy sort

Konventionel forædling

Transgenese

Samme art

Alle gener i alle organismer

Genetisk modifikation

Ny sortNy sort

Konvention forædling

Cisgenese

Tak for

opmærksomheden