28. april 2021

Bygkerners selvorganisering viser vejen til en ny holistisk tilgang til genetik og planteforædling

Ny forskning

En gruppe forskere har undersøgt en ny tilgang til planteforædling, der tager hensyn til, at planterne har en indre ”regnemaskine”, som hjælper dem med hele tiden at reorganisere sig selv (global kohærens). Tilgangen tager højde for, at de genetiske ændringer, planteforædlerne foretager, også vil føre til en række utilsigtede ændringer i planten. Forskerne forventer, at metoden kan bruges til at forbedre verdens afgrøder langt mere effektivt.

billede af bygaks med blå himmel i baggrunden
Opformering af bygmutant materiale i marken. Foto: KU FOOD.

Forskningen er udført på Institut for Fødevarevidenskab ved Københavns Universitet (KU FOOD) med professor emeritus Lars Munck i spidsen og bygger på hans samt tidligere og nuværende medarbejdernes arbejde med planteforædling og analyse af byggens fysiologi ved Svalöf planteforædling og Carlsberg Laboratorium.

Et samlet billede af organismen

Forskningen viser, hvordan man ved hjælp af en både hurtig, ikke-destruktiv og grøn analysemetode, nær-infrarød spektroskopi (NIRS), kan få et bedre og mere globalt overblik over, hvordan hele sammensætningen af næringsstoffer i en bygkerne påvirkes, fx ved ændring af et enkelt gen. Dette i modsætning til dagens gængse planteforædling, hvor man ikke har et overblik over alle de ændringer, som bygkernen gennemgår, når et enkelt gen modificeres.

Lars Munck og hans team undersøgte bygkerner fra forskellige byglinjer ved hjælp af nær-infrarød spektroskopi (NIRS). Denne metode kan på et splitsekund give et ”kemisk fingeraftryk” af bygkernerne (se uddybning i boksen om Nær-infrarød spektroskopi), som beskriver kernernes kemisk-fysiske sammensætning, herunder næringsstofferne. Forskerne analyserede de resulterende spektre ved at sammenligne og kalibrere med byglinjer med kendt sammensætning ved hjælp af matematik (kemometri).

”Vi var overraskede over den præcision, som karakteriserer kernernes kemiske fingeraftryk fra NIRS-spektre. Samtidig overraskede det os, at vi fik samme resultat, hvis vi i stedet brugte de sekundære indholdsstoffer bestemt ved en mere kompliceret målemetode kaldet gaskromatografi som kemisk fingeraftryk. Ved brug af to vidt forskellige analysetyper med helt forskelligt fokus, kom vi altså frem til samme resultat,” siger Lars Munck og fortsætter:

”Dette er kohærens i en nøddeskal – alle lokale fingeraftryk er en del af plantens selvorganiserende netværk og påvirker plantens samlede kemisk-fysiske fingeraftryk.”

En af de undersøgte byglinjer viste sig at have et højt indhold af den essentielle aminosyre lysin sammenlignet med en normal byg. Det høje indhold af lysin giver god tilvækst i fodringsforsøg med grise, men udbyttet i marken er imidlertid elendigt med et lavt stivelsesindhold.

”Ved at analysere højlysin-byglinjer som var krydset med andre byglinjer med højt stivelsesindhold og udbytte, kunne vi ud fra målinger af NIRS-fingeraftryk udvælge byglinjer med et kombineret højt indhold af både lysin og stivelse, som dermed gav højere udbytte, samtidig med, at vi på grund af kohærens også kunne få viden om andre genetiske egenskaber,” siger Lars Munck, som mener, at der er en ret enøjet tilgang til planteforædlingen i dag.

”Man ser typisk på én egenskab ad gangen. Men med en mere holistisk tilgang som NIRS-metoden tillader – hvor man i stedet ser på helheden i de forskellige plantelinjer - kan man hurtigere skabe sig et overblik over, hvilket materiale, man har til rådighed, og dermed målrette og udvælge de linjer, som er interessante,” siger Lars Munck.

Global kohærens – plantens indre selvorganisering

Inden for planteforædlingen taler man om genotypen, der beskriver plantens arvemateriale, og fænotypen, der beskriver de egenskaber, man umiddelbart kan se, eller som man kan måle kemisk, og som eksempelvis kan karakteriseres ved hjælp af NIRS.

Tilgangen ved brug af NIRS fænotyping er, at man bytter rundt på rækkefølgen i planteforædlingen og først screener de forskellige byglinjer for deres samlede kemiske egenskaber. Dette gøres ved at kalibrere til kendte byglinjer, som har en eller flere af de kemiske egenskaber man ønsker (fx linjer med højt indhold af lysin eller stivelse). Først til sidst laver man så en dybdegående bestemmelse af de gener, man har udvalgt. Når man leder efter et udtryk for den samlede organisme, giver det et langt mere nuanceret resultat at se på hele kemien ved hjælp af NIRS fingeraftryk i en organisme fremfor at undersøge hver enkelt genkombination for sig.

”Med den nye metode udfylder vi det store vidensgab, der er i genetikken mellem genotype og fænotype. Nu kan molekylærbiologien endelig få afsætning for sit imponerende bibliotek af primære genfunktioner, hvor resultatet af genændringernes samlede bidrag til en fungerende plante også kan studeres som en helhed af gener,” siger Lars Munck og fortsætter:

”Molekylærbiologien er kommet med afgørende løsninger på genetiske sygdomme, resistens og vaccination mod sygdomme. Men i denne succeshistorie har man glemt, at det ikke er genet, som er den biologiske enhed, men at der er tale om et selvorganiserede individ, som med sin indre ”regnemaskine” temmelig eksakt og reproducerbart beregner det interne samspil,” siger Lars Munck.

Forskerne kalder dette samspil, som er vist i bygkerner ved hjælp af NIRS fingeraftryk, og som de mener kan overføres til alle levende organismer, for global kohærens.

”Når der opstår forandring i et enkelt eller i flere af plantens gener eller i miljøet, forandres hele organismen, da planten omorganiserer sig selv for at imødegå forandringerne. Denne sammenholdende kraft, kohærens, som tidligere er defineret i fysikken mellem lysstråle og atomer inden for ikke-levende materie, har vi nu opdaget i biologien som et makroskopisk kemisk fingeraftryk, som vi kalder for global kohærens,” siger Lars Munck.

Introduktionen af makroskopisk kemisk fingeraftryks kohærens i biologi, som koordinerer fysisk morfologiske strukturer med kemiske, er en grundlæggende opdagelse og et meget enkelt supplement til molekylærbiologiens dybere forståelse af genekspression.

Illustration med grafer
Nær Infrarøde (NIR) byg-spektre (venstre) afspejler kemiske fingeraftryk fra kerner af normale byglinjer (grøn), protein/lysin-mutanter (blå) og kulhydrat-mutanter (rød). Spektrenes form er karakteristiske for hver af de tre byggrupper, hvorimod dyrkningsmiljøet ses som en forskydning af spektrene afhængigt af, om byggen er dyrket i kar (pot) eller mark (field). Til højre ses resultater fra gaskromatografi, hvor det ligeledes ses at  ”kurveformen” er karakteristisk for hver byggruppe og dyrkningsmiljøet (høj-lav temperatur) påvirker kurveforskydning mere end egentlig kurveform. Illustration: UCPH FOOD