Danske forskere vil gøre afgrøder mere resistente

En stor del af verdens fødevarer bliver ødelagt hvert år, når bakterier, svampe og virus angriber planter og slår dem ihjel eller suger al saft og kraft ud af dem.

Det er parasitiske plantepatogener, som er på spil, og de angriber alt fra byg, hvede, kartofler og æbler til vindruemarker på skråningerne i Bourgogne.

Forskere på hele kloden slås med at finde en løsning på dette problem, og danske forskere har øjnene rettet mod en helt ny måde at gøre planter mere resistente over for angreb fra skadevoldere.

Lykkes de danske forskere med deres strategi, kan det komme til at betyde meget større udbytte fra en lang række afgrøder, hvilket ikke bare gavner landmændene, men også verdensøkonomien, klimaet og mennesker i lande, der ikke har lige så let adgang til mad, som vi har i Danmark.

”Afgrødesygdomme er et stort tema i hele verden, fordi det koster så meget på forskellige områder, når udbyttet ikke bliver så stort, som det kunne have været. Landmændene mister penge, skove bliver fældet for at gøre plads til nye marker for at kompensere for det tabte udbytte, og så benytter vi enorme mængder ressourcer i form af maskiner, gødning og pesticider til afgrøder, der ender med ikke at blive til noget alligevel,” forklarer professor Hans Thordal-Christensen fra Institut for Plante- og Miljøvidenskab ved Københavns Universitet.

Hans Thordal-Christensen modtog i 2019 en stor Challenge Programme-bevilling fra Novo Nordisk Fonden til over de næste seks år at udvikle metoder til at gøre planter mere resistente over for skadevoldere.

Hvede og byg er kun immune over for meldug og gulrust i få år

To eksempler på patogener, der angriber afgrøder, er svampene meldug og gulrust. Begge svampe angriber afgrøder som hvede og byg og skaber store problemer for landmænd i hele verden, inklusive Danmark.

Hans Thordal-Christensen fortæller, at der rundt om i verden lige nu forekommer regionale epidemier på hvede.

Problemet opstår, når hvede mister sin resistens over for patogenerne, og så styrtdykker landmandens udbytte.

Derfor har planteforædlere også travlt med hele tiden at udvikle nye sorter, der kan modstå gulrust.

Det er et konstant kapløb mod tiden, for hver gang planteforædlere har brugt år og millioner af kroner på at udvikle en ny hvedesort, der er modstandsdygtig over for gulrust, tager det ikke gulrusten mere end 2–3 år, før den har fundet på nye måder at omgå hvedens immunforsvar.

”Så skal planteforædlerne starte forfra. Derfor er der behov for alternative måder at udvikle hvedesorter med ny resistens, som gulrusten ikke kan omgå så hurtigt, som den gør i dag,” forklarer Hans Thordal-Christensen.

Planteforædlere bruger millioner på at lave resistente planter

Hvad gør planteforædlere i dag for at udvikle nye og mere modstandsdygtige plantesorter?

Den konventionelle måde er at finde vilde linjer af eksempelvis hvede, som gulrust ikke har erobret endnu.

Sådanne linjer findes i hvedens oprindelsesregion, der dækker blandt andet Tyrkiet, Iran, Syrien og Israel, hvor hvede vokser vildt.

Her findes hvedelinjer, der er modstandsdygtige over for gulrust, men deres udbytte er så horribelt, at de ikke egner sig som afgrøder.

Kunsten for planteforædlerne er derfor at krydse vildtype-linjerne af hvede med de kommercielt interessante sorter og derigennem skabe nye sorter, som både har et højt udbytte og kan stå imod gulrust.

”I processen kan der opstå både nogle uhensigtsmæssige karaktertræk og nogle positive karaktertræk, der påvirker eksempelvis modstandsdygtighed mod patogener, tørkeresistens og udbytte. Problemet er, at processen med at identificere de bedste nye linjer kræver forsøg med tusindvis af forskellige nye linjer for at finde frem til de måske fem linjer, der er interessante for landmændene. Processen er rigtig, rigtig dyr, og dén kan planteforædlerne så gentage et par år senere, når gulrusten har fundet på nye måder at omgå resistensen på,” siger Hans Thordal-Christensen.

Svampe omdirigerer næringsstoffer

At forstå den nye måde at udvikle nye og mere resistente sorter af afgrødeplanter kræver kendskab til, hvordan patogener som svampe inficerer en plante og ender med at suge udbyttet ud af den.

Når en svamp lander på en plante, sender den effektor-proteiner ind i plantecellerne.

Plantepatogener har rigtig mange af disse effektorer. Meldug har omkring 800, og gulrust har mere end 1.000.

Effektorer styrer processerne i plantecellerne, så planten tjener det parasitiske patogen i stedet for planten selv.

Det betyder, at effektorerne sætter plantens immunforsvar ud af spillet. Alle planter har et meget effektivt forsvar mod patogener, som gør dem resistente over for smitte.

Men kan patogenerne først komme ind bag immunforsvaret med deres effektorer, kan de sætte immunforsvaret i venteposition, mens de selv udnytter planten til at få næringsstoffer, der hjælper patogenets vækst.

”Svampen omdirigerer simpelthen flowet af næringsstoffer, så dén kan optage dem i stedet for planten. Meldug og gulrust, som vi fokuserer på, indsætter også en specialiseret hyfestruktur, et haustorium, ind i plantecellerne. Dette haustorium er meget vigtigt for svampenes muligheder for at overtage styringen med planten,” fortæller Hans Thordal-Christensen, som også forklarer, at

svampene benytter haustorierne til at holde plantecellerne i live, mens de suger dem for saft og kraft, fordi svampene ikke kan leve på døde celler.

”Spørgsmålet er, hvordan svampene får planterne til at danne membranen rundt om haustorierne, og hvordan de bruger haustorierne til at transportere næringsstoffer fra planterne til svampen selv. En tredjedel af forskningsprojektet fokuserer på at finde ud af det,” uddyber Hans Thordal-Christensen.

Inspireret af bakterie, som forårsager lungebetændelse

Hans Thordal-Christensen og kollegaerne har allerede en idé om, hvordan de skal aflure svampenes hemmelighed.

Hele systemet med haustorier og membraner ligner noget, der findes andre steder i sygdomsbiologien, herunder når legionellabakterier smitter mennesker og forårsager lungebetændelse.

Dét er undersøgt forholdsvis grundigt, og her går legionellabakterier helt ind i cellerne i lungerne og overtager via effektorer kontrollen med forskellige membransystemer, så de kan få dannet en beskyttende membran rundt om sig.

Hans Thordal-Christensen spekulerer i, at gulrust og meldug gør noget lignende.

”At gøre dét kræver et forfærdeligt kompliceret system af mange proteiner, og derfor er antallet af effektorer så højt. Forskere i humanbiologi er meget længere fremme end vi er på dette område, og det er på den ene side irriterende, men også belejligt, for så kan de inspirere os,” ler Hans Thordal-Christensen.

Plante er 100 pct. resistent over for gulrust og meldug

Hans Thordal-Christensen forklarer, at når meldug eller gulrust smitter en plante, ved at deres effektorer overtager styringen med plantens membranproteiner, er planten dermed i svampens vold.

Her kommer så den lille twist, som ligger til grund for hele forskningsprojektet.

Verdens mest grundigt studerede plante er Arabidopsis thaliana, der genetisk ligner hvede og byg, selvom planterne ser meget forskellige ud. Men hvis forskerne smitter Arabidopsis thaliana med meldug eller gulrust, sker der… ingenting.

Trods deres ellers ekstremt veludviklede arsenal af våben til at trænge ind i planteceller og overtage styringen kan svampene ikke inficere Arabidopsis thaliana. Den er 100 pct. resistent, og det bliver den ved med at være i al overskuelig fremtid.

”Forsvaret for Arabidopsis thaliana bliver aktiveret, svampen bliver nedkæmpet, og planten bliver ikke syg. Den forsvarer sig og er ikke modtagelig, fordi svampens effektorproteiner ikke er tilpasset proteinerne i Arabidopsis thaliana,” fortæller Hans Thordal-Christensen.

Vil lave hvede og byg med immunforsvar som Arabidopsis thaliana

I forskningsarbejdet vil Hans Thordal-Christensen og hans kollegaer netop prøve af udvikle hvede- og bygplanternes immunforsvar ved at kopiere fra Arabidopsis thaliana.

Det vil forskerne gøre ved først at identificere de effektorer i gulrust og meldug, der bidrager mest til at inficere hvede og byg. Efterfølgende vil de identificere de proteiner, som effektorerne rammer inde i planterne. Til sidst vil forskerne tilpasse effektorernes mål i byg- og hvedeplanterne, så de ligner Arabidopsis thaliana-proteinerne, som effektorerne ikke kan gøre noget ved.

Resultatet skal gerne munde ud i, at forskerne kan smitte byg- og hvedeplanterne med meldug og gulrust, og så sker der … ingenting.

”Vi kan nok ikke nøjes med at lave én ændring, for så skal svampene nok finde måder at komme rundt om den del af immunforsvaret på. Vi skal introducere flere ændringer i flere proteiner: fem til seks styk. Det vil give planterne en resistens over for svampene, som er baseret på flere forskellige former for forsvar, som svampene skal omgå. Det kan de ikke, for det vil betyde, at de skal udvikle nye effektorer mod alle de ændrede proteiner på samme tid,” siger Hans Thordal-Christensen.

Identificerede de første 100 effektorer i meldug

Selvom forskerne bag projektet først nu har taget de indledende skridt mod at udvikle nye og mere resistente afgrøder, bygger forskningen på 30 års arbejde med at forstå, hvordan planter forsvarer sig mod svampe, og hvordan svampe angriber planter.

Hans Thordal-Christensen og hans kollegaer var på forkant i forhold til at studere effektorer i meldug og afsluttede i 2010 et projekt,

, hvor forskerne havde sammenlignet deres egne gensekvensdata fra meldug med store genetiske databaser og fandt, at disse 100 proteiner var fuldstændig unikke og derfor kunne mistænkes at være effektorer.

”Vi fandt omkring 100 proteiner, som var ukendte og havde dette signalpeptid. Desuden kunne vi ikke finde dem i andre svampearter end i meldug. Det er ellers normalt, at når vi finder et protein i en svamp, så kan vi finde et lignende protein i næsten alle andre eukaryote celler, men det kunne vi ikke her. Vi vidste også fra andres forsøg med kartoffelskimmel, at netop effektorer er meget individuelt unikke for det enkelte patogen. Det gjorde, at vi konkluderede, at de 100 proteiner er effektorer,” forklarer Hans Thordal-Christensen.

Videre undersøgelser af effektorerne er stadig undervejs, og indtil videre ved forskere kun meget lidt om, hvad deres funktion er i infektion af en plante.

Mutation i gen gør, at meldug kan angribe Arabidopsis thaliana

Et andet vigtigt arbejde i optakten til det nye forskningsprojekt er en opdagelse, der ændrede Hans Thordal-Christensens liv.

For mere end 20 år siden arbejde han med Arabidopsis thaliana på et laboratorium i USA.

Her fandt han en mutation i genet PEN1, som ingen vidste på daværende tidspunkt, hvad var.

Hans Thordal-Christensens forskning viste, at PEN1 er en helt central spiller i at forsvare planten mod svampens penetrering af plantens celler.

Mere specifikt er PEN1 involveret i membrantrafikken, og det var der, hvor Hans Thordal-Christensen begyndte at interessere sig for membraner.

Det øjenåbnende interessante i forskningen var, at da PEN1 blev muteret, forsvandt det ellers så solide forsvar af Arabidopsis thaliana mod meldug, og en svamp, der under normale omstændigheder ikke kunne inficere Arabidopsis thaliana, havde pludselig frit spil.

”Kortlægningen af funktionen af PEN1 er en milepæl, der ændrede mit liv, og siden da har forskning i PEN1 og membraner virkelig interesseret mig. Et intakt immunforsvar er nødvendigt, for at bygmeldug ikke kan inficere Arabidopsis thaliana, og hvis vi sætter immunforsvaret ud af spillet ved at mutere PEN1, hjælper vi svampen med at inficere en plante, som den ellers ikke ville kunne,” siger Hans Thordal-Christensen.

Opdagelse viser, hvordan membran muligvis bliver dannet

Et tredje eksepel på det forskningsarbejde, der har bragt forskerne hen til dér, hvor de er i dag, handler om de membraner, der omgiver haustorierne.

I 2017 fandt Hans Thordal-Christensens gruppe ud af, at den membran, som meldug tvinger plantecellerne til at bygge om sit haustorium, har fællestræk med den membran, som findes i det endoplasmatiske reticulum.

Samtidig kunne forskerne udelukke forskellige mulige forklaringer på, hvordan membranerne omkring haustorierne bliver dannet.

Det efterlod dem med én mulighed, som de i det nye forskningsprojekt vil kigge nærmere på.

”Vores bud er, at membranerne bliver lavet af lipidoverførselsproteiner, der kan flytte lipider fra én membran til en anden. De arbejder meget hurtigt, og vi tror nu, at effektorerne overtager styringen af disse lipidoverførselsproteiner, og at det er sådan, membranerne omkring haustorierne bliver dannet,” forklarer Hans Thordal-Christensen.

Her vil forskerne gerne være om seks år

Kigger Hans Thordal-Christensen seks år frem i tiden, håber han, at den samlede forskning vil resultere i, at forskerne har identificeret fem til seks potentielle proteiner i hvede eller byg, som de kan manipulere til at blive upåvirket af svampe-effektorer.

Det vil åbne for muligheder for at lave superresistente sorter af byg og hvede, hvilket vil føre til et højere afgrødeudbytte.

Men Hans Thordal-Christensen håber også, at den forskning, som er kommet ud af det store projekt, vil have kastet en masse viden af sig, der på andre måder kan være værdifuld i kampen for verdens afgrøder og i at forstå planters immunforsvar og kampen mod patogener.

”Er vi kommet dertil, vil jeg være godt tilfreds. Er vi kommet længere, har vi måske implementeret nogle af disse proteiner i byg eller hvede og er i færd med at teste dem. Det vil være helt fantastisk,” siger Hans Thordal-Christensen.

I 2019 tildelte Novo Nordisk Fonden en Challenge Programme-bevilling til Hans Thordal-Christensen til projektet “A new paradigm for disease-free crops of tomorrow”.