Fakta
Aktivera ordförklaringar

Resistens mot sjukdomar

Genteknik kan effektivisera förädling för motståndskraft mot olika växtsjukdomar, och ge ett minskat behov av växtskyddsmedel.

Sammanfattning

Växtsjukdomar kan ge omfattande påverkan på skörd och avkastning. För att motverka det används ofta växtskyddsmedel, till exempel svampmedel, fungicider, för att bekämpa växtskadegörande patogener.

För att kunna behovet av växtskyddsmedel behövs växter som har resistens mot sjukdomar. Men konventionell förädling för sjukdomsresistens kan vara utmanande.

Genteknik kan användas för att introducera resistensgener från korsningsbara arter (cisgenes). Som alternativ kan gener som gör växten känslig för angrepp slås ut med hjälp av genomredigeringstekniker som CRISPR/Cas9.

Det finns ett starkt selektionstryck för en patogen att överlista växtens försvar. För ett robust skydd kan då en strategi vara att introducera flera olika gener som ger resistens och mutationer som gör växten mindre mottaglig.

Banan kan drabbas av svampsjukdomen black sigatoka. Foto Marie Nyman.

Genteknik för ökad sjukdomsresistens

Växter angrips av många olika sjukdomsframkallande organismer, så kallade patogener, bland annat bakterier, svampar, oomyceter och virus. Angreppen kan skada blad, stjälkar, rötter och frukter, minska skördar och i värsta fall leda till att hela plantor dör. Klimatförändringarna kan förvärra problemen genom att skapa gynnsammare förhållanden för vissa patogener.

Egna specifika resistensgener

Växter har flera typer av försvar mot patogener. Resistensgener kodar för immunreceptorer som känner igen molekyler från patogenen och kan utlösa ett kraftfullt försvar. Denna resistens är dock i regel specifik. Det innebär att om patogenen utvecklar varianter som undgår igenkänningen kan skyddet försvagas eller försvinna.

Växter har också mer generella försvar, som ett yttre vaxlager och ämnen som stöter bort patogenen. Samtidigt kan patogener utnyttja faktorer hos växten som gör den mottaglig för angrepp. Det pågår en ständig evolutionär kapprustning mellan växter och patogener.

Genom växtförädling kan grödors motståndskraft mot patogener förbättras, men det kan vara tidskrävande att hitta och korsa in lämpliga resistensegenskaper.

Päronrost är ett exempel på en sjukdom orsakad av en patogen, en svamp. Bild från Depositphotos.

Nya resistensgener med genteknik

Genteknik kan erbjuda ytterligare möjligheter. Med transgenteknik kan resistensgener föras in från andra arter, även sådana som inte kan korsas med grödan. Om genen hade kunnat korsas in kallas metoden cisgenes. Om genen kommer från en icke korsningsbar art kallas det transgenes.

Med genomredigering kan forskare förändra eller slå ut utvalda gener hos växten, till exempel sådana som gör växten mottaglig för en viss patogen. En ökad sjukdomsresistens kan innebära ökade skördar med bättre kvalitet, och behov av att använda mindre mängd växtskyddsmedel. Därför bedrivs mycket forskning på området.

Potatis med resistens mot bladmögel

Potatis hör till en av världens viktigaste livsmedelsgrödor men potatisodling hotas av potatisbladmögel på många ställen i världen. Hela växten kan infekteras, blad, stammar och potatisknölar. Infekterade blad och stammar blir mögelludna och dör. Knölarna får bruna fläckar och röta.

Potatisbladmögel orsakas av oomyceten Phytophthora infestans. Till Europa kom patogenen 1845 genom import av infekterad potatis från USA. Skadegöraren spred sig snabbt över Europa. På Irland fick dess intåg katastrofala följder. De förstörda potatisskördarna, liksom angripna och förstörda lagrade potatisknölar, ledde till att uppskattningsvis en miljon människor dog av svält och att minst lika många emigrerade.

Monument i Dublin till minne av den stora svälten på Irland i mitten av 1800-talet, orsakad av potatisbladmögel som slog ut potatisskördar och förstörde lagrade potatisknölar. Bild från Wikipedia Commons.

Med resistens kan besprutningen minska

I Sverige har problemet med potatisbladmögel ökat under de senaste årtiondena och gör potatis till en av de grödor som behandlas mest med svampmedel, fungicider. Vanligen behandlas potatisodlingar i södra delarna av landet upprepade gånger under odlingen.

Forskning pågår för att ta fram bladmögelresistent potatis. Genteknik kan användas, inkluderande cisgenes, där resistensgener från motståndskraftiga potatisarter förs in i kommersiella sorter och via riktad mutagenes med CRISPR/Cas9. Odling av den här typen av potatis skulle kraftigt kunna minska behovet av att använda fungicider.

Korsningsförädling av potatis för resistens är komplext

Den potatis vi odlar, Solanum tuberosum på latin, kommer ursprungligen från Sydamerika. Där finns många vilda potatissläktingar och några av dem bär på resistensgener som gör dem motståndskraftiga mot P. infestans. Exempel på potatisarter med motståndskraft är Solanum stoliniferium, Solanum venturii och Solanum bulbocatanum. Om resistensgener kunde föras över till den potatis vi odlar skulle även den få motståndskraft mot bladmögel.

Olika antal kromosomer

Korsningsförädling av odlad potatis är dock i sig en utmaning bland annat eftersom potatis är tetraploid, och korsningar kan ge stora variationer. Att korsa in resistensgener från sydamerikanska potatisarter är än svårare.

De vilda potatisarterna vanligen diploida. Att korsa en diploid art med en tetraploid ger en avkomma som är tripoid och inte fertil. Olika trick och knep kan då tas till, till exempel att kromosomfördubbla den diploida arten så den också blir tetraploid som den odlade potatisen.

Vissa arter går ändå inte att korsa med varandra direkt. För att komma runt det korsas en vild potatis med en eller flera andra arter som fungerar som brygga, för att avkomman av en sådan brygga sedan ska kunna korsas med vanlig potatis.

Korsningsförädling för att föra över en bladmögelresistensgen från en vild potatissläkting (S. bulbocastanum) till en vanligt odlad potatissort. Eftersom S. bulbocastanum inte kan korsas direkt med S. tuberosum måste korsningen ske via ett par andra potatisarter, så kallade bryggor. Illustration Gunilla Elam

Upprepade återkorsningar tar tid

Vid en korsning följer mycket genetiskt material från de andra arterna med. Förädlaren behöver därför genom upprepade korsningar och urval försöka bibehålla resistensgenen men bli av med oönskade egenskaper från de andra potatisarterna. Det görs med hjälp av upprepade återkorsningar.

Ett sådant här komplext förädlingsarbete ligger bakom potatissorterna Toluca och Bionica. De har fått en resistensgen från Solanum bulbocatanum via komplexa korsningar som involverade totalt fyra olika potatisarter. Det förädlingsarbetet tog omkring 45 år.

Cisgenes snabbar upp resistensförädling

För att snabba på potatisförädling med resistensgener från andra potatisarter kan genteknik användas. Om gener flyttas med hjälp av genteknik mellan arter som kan korsas med varandra talar man om cisgenes.

När Fortuna utvecklades modifierades potatis med två resistensgener från en vild släkting. Illustration Gunilla Elam.

Från fältförsök till tillbakadragen EU-ansökan

Ett exempel är den genetiskt modifierade potatisen Fortuna. Den modifierades med två resistensgener från Solanum bulbocastanum. Genom att kombinera två resistensgener kan resistensen bli mer hållbar och det kan ta längre tid för oomyceten att överlista potatisens inbyggda försvar. För att lyckas med det måste patogenen få flera genetiska förändringar samtidigt.

Fortuna försökodlades under några år i bland annat Sverige och 2011 lämnades en ansökan om marknadsgodkännande in till EU. Efter att företaget som utvecklat Fortuna flyttat sin forskningsverksamhet från Europa till USA drog företaget tillbaka sin ansökan om marknadsgodkännande. Potatisen har inte odlats kommersiellt inom EU.

USA har godkänt bladmögelresistens potatis

Flera bladmögelresistenta potatissorter säljs i USA där vissa så kallade Innate-potatisar har modifierats med resistensgener från Solanum venturii. Forskare från Uganda, Kenya och Peru har också modifierat och i fältförsök testat potatisar med resistensgener med goda resultat. De potatisplantorna bär på två gener från S. bulbocastanum och en från S. venturii. Vissa av dessa potatisar har även testats i fältförsök i Sverige.

Den bladmögelresistenta genetiskt modifierade potatisen Fortuna i fältförsök i Sverige. Fortuna i mitten och icke modifierade kontrollplantor som angripits av bladmögel på var sin sida om den genmodifierade.
Foto: Kristofer Vamling

Genomredigering för motståndskraft mot bladmögel

En annan ansats än att introducera en eller flera resistensgener i potatisen är att slå ut gener som gör växten känslig för angrepp. Sådana känslighetsgener kallas ibland S-gener efter engelskans susceptibility genes.

S-geners funktion kan utnyttjas av patogenen för att infektera växten eller på annat sätt bidra till växtens mottaglighet. Ofta har sådana gener multipla funktioner i växten. Det innebär att om en sådan gen slås ut kan det ge bred motståndskraft mot olika patogener, men risken är också stor att det ger negativ påverkan, till exempel på tillväxt och avkastning.

Svensk forskning bakom motståndskraftig potatis

Svenska forskare från Sveriges Lantbruksuniversitet (SLU) har ökat motståndskraften hos potatis mot bladmögel, men även mot andra sjukdomar, genom att slå ut känslighetsgenen DMR6-1 (DOWNEY MILDEW RESISTANT 6-1) med hjälp av CRISPR/Cas9.

Genen behövs för att den sjukdomsframkallande patogenen ska överleva och föröka sig i värdväxten. Den kunskapen kommer från forskning på andra grödor där motsvarande gen har visats vara viktig för att en patogen effektivt ska infektera växten och där motståndskraft ses om genen slås ut.

Genomredigerade potatisar har motståndskraft mot flera sjukdomar, samtidigt som varken avkastning eller kvalitet har ändrats. Bild från Pixabay.

Utvärderingen av fyra års fältförsök samt odling under kontrollerade laboratorieförhållanden med den DMR6-muterade potatisen, visade att potatisen hade viss resistens mot potatisbladmögel jämfört med den vanliga potatisen. De genetiska förändringarna har inte inverkat på avkastningen eller kvaliteten hos potatisknölarna.

Potatisen hade också viss resistens mot andra sjukdomar, som torrfläckssjuka (alternaria) och skorv, och påverkades mindre av torka eller salt än potatisen med funktionellt DMR6-protein.

Försöken visar att strategin att slå ut känslighetsgenen DMR6 i potatis kan vara en viktig del i förädling av en mer motståndskraftig potatis. Strategin är inte tillräcklig för att ge ett fullgott skydd mot sjukdom, men kan vara en viktig komponent för att få ner användningen av bekämpningsmedel. Det kan också vara möjligt att att slå ut ytterligare känslighetsgener eller addera resistensgener för ett mer fullgott skydd mot potatisbladmögel.

Vindruvor med resistens mot vinbladsmögel

Vindruvor odlas för att ätas som de är, pressas till vin eller torkas russin. I vinodlingen är det lokala klimatet och den specifika druvan viktig för vinets karaktär. Av den anledningen förökas vinplantor vegetativt, genom att man tar sticklingar eller ympar på rotstockar.

På så vis bevaras den genetiska egenheten hos en specifik druva, men det innebär också att vinplantor inte har samma förmåga till anpassning som en art som förökas sexuellt. Det har däremot de patogener som kan angripa vinplantorna. Det innebär att vinodlingen för en ojämn kamp mot vinbladmögel, gråmögel och andra sjukdomar.

Vinodlingar besprutas mycket

Trots att vinodlingen bara utgör några få procent av all odlad mark står den för en stor andel av användningen av växtskyddsmedlen mot svamp, så kallade fungicider i vinodlande regioner. Konventionell vinodling använder ofta kemiska fungicider medan det i ekologisk vinodling är tillåtet att behandla med så kallad bordeaux-vätska, vilken innehåller kopparsulfat. På en del håll är marken där vin odlas kraftigt förorenad av koppar vilket ger negativ påverkan på mikroorganismer i jorden.

Lätt att tappa druvans karaktär med korsningsförädling

Det är inte lätt att förädla vin för resistens mot svampangrepp. Eftersom korsningsförädling är en utmaning om man samtidigt önskar bibehålla den specifika druvans karaktär och genetiska integritet behöver förädlingen ske med hjälp av andra tekniker. Genomredigering med CRISPR/Cas9 kan vara en möjlighet, om man kan finna någon gen som ger vindruvan känslighet för en patogen.

Vindruvsplantor kan till exempel angripas av algsvampen Plasmopara viticola som orsakar vinbladsmögel. Med genomredigering har en sort utvecklats med motståndskraft mot sjukdomen. Bild från Depositphotos

I olika druvsorter har man använt CRISPR/Cas9 för att slå ut en eller två av vinplantans Downey mildew resistant 6, DMR6-gener. DMR6 har i flera andra växter visats vara en så kallad S-faktor, det vill säga en faktor som gör växten mottaglig för patogenangrepp. Om en sådan faktor slås ut kan det ge växten ett relativt brett skydd mot patogenangrepp.

Det såg man också när båda DMR6-generna slogs ut i ett antal olika vinsorter. Plantorna fick då minskad mottaglighet för Plasmopara viticola, som är den oomycet som orsakar vinbladsmögel. I ett av experimenten observerades minskad tillväxt men i ett annat fann man inte att tillväxt och övrigt utseende skiljde sig åt mellan de genomredigerade och de icke-genomredigerade plantorna vid ett års ålder. I fältförsök kan plantornas utveckling studeras vidare.

Genomredigerat vete resistent mot mjöldagg

Mjöldagg är en svampsjukdom som går på många olika grödor inklusive strågrödor som vete. Vissa sorter har resistens i form av mutationer i MLO-gener. Sådana mutationer påverkar också vetets tillväxt och avkastning negativt.

I ett försök användes CRISPR/Cas9 för att slå ut vetets MLO-gener. Då aktiverades även en gen som normalt inte är aktiv i vetet. Det motverkade de negativa effekterna och forskarna kunde få fram ett vete som var mjöldaggsresistent och samtidigt gav hög avkastning i fältförsök.

Vete (Triticum aestivum). Bild från Pixabay.

Tekniken som användes var en slags multiplex-CRISPR, som slog ut vetets tre kopior av MLO-genen (TaMLO-A1, TaMLO-B1 och TaMLO-D1) samtidigt. Genom en större deletion vid TaMLO-B1 aktiverades samtidigt en gen, TaTMT3B, som påverkar glukosnivåerna i växten. Mekanismen är inte helt känd, men detta återställde de negativa effekterna som MLO-mutationerna förde med sig.

Forskarna visade att TMT3-gener också i en annan avlägset besläktad växt har liknande positiv effekt som i vete. Det indikerar att den här strategin skulle kunna fungera i olika grödor för att ge resistens mot mjöldagg utan samtidig negativ påverkan på tillväxt och avkastning.

Banan med resistens mot panamasjukan

Panamasjukan orsakas av jordsvampen Fusarium oxysporum f. sp. cubense, där den aggressiva varianten Tropical Race 4 (TR4) angriper bland annat Cavendish, den banangrupp som dominerar den internationella handeln.

Svampen kan överleva i jorden i flera decennier, vilket gör sjukdomen svår att bekämpa. Cavendish är svår att förädla genom konventionell korsning eftersom bananerna är sterila eller har mycket låg fertilitet och saknar utvecklade frön.

Bananer är en av de viktigast fruktgrödorna i världen. Bild från Depositohotos.

En möjlighet att bekämpa panamasjukan är att arbeta med andra banansorter och korsa dem med resistenta vilda släktingar. Det har gjorts med Yelloway One, en hybrid som tagits fram genom konventionell förädling och som är resistent både mot TR4 och sjukdomen svart sigatoka.

Olika gentekniska strategier för resistenta bananer

En annan möjlighet är att använda genteknik. Forskare vid Queensland University of Technology i Australien har på så vis utvecklat QCAV-4, en Cavendish-banan som fått en resistensgen, RGA2, från en vild banan introducerad i genomet med hjälp av transgenteknik. Sorten är godkänd för livsmedel och kommersiell odling i Australien, men det finns inga omedelbara planer på kommersiell försäljning.

Forskare använder också genomredigering för att utveckla bananer med resistens mot panamasjukan. En strategi är att slå ut gener som gör bananplantan mottaglig för angrepp, så kallade känslighetsgener (S-gener). Forskning pågår, men en genomredigerad banan med dokumenterad resistens mot panamasjukan har kommit lika nära kommersiell odling som QCAV-4.

Referenser

Mer inom samma ämne