Planter har brug for særlig hjælp til at overleve klimaforandringer

For de fleste mennesker ser en rød rose stort set ens ud, uanset hvor den findes i verden. Men hvad der er usynligt for vores øjne, er de enorme genetiske forskelle mellem træer, planter og blomster afhængigt af, hvor nøjagtigt de vokser. Omvendt kan de fleste mennesker sandsynligvis se den kæmpe forskel mellem et træ og en urt. Ikke desto mindre har det faktum, at urten Arabidopsis thaliana (gåsemad) på mange måde minder om et træ, gjort den til et enormt vigtigt redskab til at studere, hvordan træer og andre planter udvikler sig og tilpasser sig verden. Det er endda blevet et værktøj, som, forskere håber, kan inspirere ideer til, hvordan man bevarer grøn biodiversitet trods klimaændringer.

”Da det vil blive endnu tørrere omkring Middelhavet, kan man måske tro, at Middelhavsbefolkningen er dem, der er mest udsat, fordi klimaet vil blive endnu mere ekstremt der. Men forskning viser sig, at planterne i Centraleuropa er i større fare, fordi de dybest set ikke har nogen genetisk værktøjskasse til overhovedet at håndtere tørke. Da evolution ikke kan følge med, må vi overveje at bruge gensplejsning til at hjælpe planter med at tilpasse sig hurtigere. Ellers vil mange af dem dø, ”forklarer Detlef Weigel, der er direktør for Max Planck Institute for Developmental Biology i Tübingen, Tyskland.

En firvinget flue

Allerede i tredje klasse skrev Detlef Weigel i et essay, at han ville være professor og arbejde i et laboratorium - selvom han aldrig havde besøgt et. Han troede dog ikke, at han ville blive planteprofessor - mere som en vildtbiolog, da hans far tog ham med på ture i naturen for at tælle ænder og hejrer.

”Jeg tænkte på miljøbeskyttelse og natur, så jeg var helt sikker på, at jeg ville studere biologi på universitetet. Da jeg kom der, blev jeg dog overrasket over, at nogle af mine medstuderende ikke var så seriøse med at studere, men troede, at det at være en spirende biolog også betød at man skulle være "organisk”."

Heldigvis studerede Detlef Weigel ved Bielefelds Universitet, som havde et meget moderne curriculum, der tidligt udsatte studerende for genetik og kloning. Det var i 1981, hvor molekylærbiologi var i sin tidlige vorden. Fascineret af det nye felt fortsatte Detlef Weigel ved Kölns Universitet - kendt for sine fremragende molekylærgenetikere. Der blev han studerende hos en af ​​de førende forskere inden for udviklingsgenetikken, José-Antonio Campos-Ortega.

”José accepterede mig som studerende i sit laboratorium, og jeg syntes, det var den mest fantastiske ting, at jeg fik lov til at arbejde i laboratoriet og bruge alle instrumenter og andre ressourcer. Jeg var fanget, og det var klart for mig, at det var her, min fremtid var.”

En dag fik Detlef Weigel den seneste udgave af Science magazine i hånden. På forsiden var en firvinget Drosophila-flue, og indeni beskrev Edward B. Lewis og hans kolleger den første genomiske analyse af denne muterede flue med fire vinger - så den nu lignede en guldsmed - en af ​​de store opdagelser, der bidrog til at han fik Nobelprisen i 1995.

”Jeg arbejdede selv med de små bananfluer, og det var et afgørende øjeblik i min karriere: hvilket fantastisk tidspunkt at være i live, tænkte jeg. Jeg har lært nok biologi til at jeg kan gå på biblioteket, hente et videnskabeligt tidsskrift, forstå hvad der er skrevet der og blive inspireret af mit arbejde med mine egne eksperimenter. Hvad der var og stadig er vigtigt for mig, og hvorfor jeg elsker at være videnskabsmand, er, at det ikke kun handler om mit eget arbejde. Jeg er lige så - eller endda mere - fascineret af de opdagelser, som alle andre gør. Det handler virkelig om forskersamfundet, der sammen fremmer viden til gavn for alle.”

Små træer i petriskåle

Til sit ph.d.-arbejde fortsatte Detlef Weigel med at studere Drosophila-udvikling sammen med Herbert Jäckle ved Max Planck Institute for Developmental Biology, hvor han opdagede et grundlæggende medlem af en vigtig familie af regulatoriske proteiner, FOX-klassen af ​​transkriptionsfaktorer, der fx styrer tale i mennesker. Detlef Weigel var imidlertid i tvivl om bananfluens fremtid. Hvad der foregik i Drosophila var stort, men han var bekymret for, at antallet af nye opdagelser ikke kunne fortsætte på den måde for evigt. Han vidste også, at hvis han ville gøre karriere inden for videnskab, var han nødt til at rejse til udlandet, så i 1989 flyttede han til California Institute of Technology i USA.

Som kandidatstuderende arbejdede han meget tæt sammen med en ven ved navn Gerd Jürgens, og han havde netop lært af ham om planten Arabidopsis thaliana, som har mange egenskaber svarende til Drosophila, og det fangede hans interesse. Screeningerne af mutanter syntes, for en plante at være, at fungere godt, og ligesom Drosophila var de lette at arbejde med i laboratoriet. Og det faktum, at der på samme måde som i Drosophila var Arabidopsis-mutanter, hvor nogle bestemte plantedele kunne omdannes til andre, antydede, at han kunne fortsætte med at bruge nogle af de metoder, han allerede havde kendt fra udviklingsbiologi.

Detlef Weigels valg af organisme skulle vise sig at være et strålende træk. Snart opdagede han og hans kolleger i laboratoriet i Elliot Meyerowitz ved California Institute of Technology i Pasadena et master-kontrolgen, der er vigtigt for skabelsen af blomster i Arabidopsis. Fordi mutanterne har blade, hvor blomster skal være, kaldte de genet LEAFY.

Det første eksperiment i laboratoriet ved Salk Institute for Biological Studies i La Jolla, også i Californien, var at spørge, om LEAFY måske ikke kun var påkrævet, men også tilstrækkelig til at omdanne de vegetative dele af planten til blomst.

”Da jeg så blomster, hvor der normalt var bladskud, blev jeg virkelig forbavset. Lykken ramte igen, da en post.doc, Ove Nilsson fra Umeå i det nordlige Sverige, kom til et interview hos mig. Ove havde netop udviklet metoder til at transformere poppeltræer. Mens vi spiste frokost, og jeg kiggede på havet og tænkte på projekter, sagde Ove: 'Hvorfor putter vi ikke bare dit LEAFY-gen i poppeltræer? Jeg tror, ​​vi begge var enige om, at dette var et temmelig skør ide, og at intet sandsynligvis ville ske.”

Selvom alle skrev i deres ansøgninger om, at Arabidopsis thaliana kunne bruges som en simpel modelorganisme til at lære, hvad der sker i andre planter, var det på den tid stadig uklart, hvor langt det passede, især når det kom til planter med en meget anden struktur og livsstil såsom træer.

”Ove tog tilbage til Sverige og tog en lille prøve af LEAFY-genkonstruktionen med sig. Jeg hørte ikke noget fra ham i et par måneder, og pludselig skriver han og sender billeder med disse kommentarer: 'Du vil ikke tro, hvad der skete: Jeg tog dit LEAFY-gen, lagde det ind i mine aspetræer og inden for uger så jeg blomster i min petriskål.” 

Normalt blomster aspetræer først efter 10 år, så dette fantastiske resultat var langt udover deres vildeste drømme. ",="" serif;="" font-size:="" 20px;"="">De tidlige blomstrende transgene poppeltræer var en vigtig opdagelse for bioteknologi. Det var den første direkte demonstration af, at udviklings-kontrolgener fra modelplanten Arabidopsis thaliana kunne bruges til at ændre adfærd for andre arter på en radikal måde, der var praktisk anvendelig - og i dette tilfælde åbnede det en dør for hurtigere avl. Dette nøgleeksperiment gjorde det klart, at Arabidopsis thaliana er en ekstremt kraftig platform for bioteknologiske opdagelser, og det er blevet brugt meget effektivt til dette formål lige siden.

En overflod af naturlig variation

Selvom det er overraskende, hvor meget der er konserveret gennem millioner og millioner af år med evolution, betyder det dog ikke, at alt er det samme i alle planter - ikke engang i den samme art. Efter at have set, hvordan LEAFY kunne forvandle bladskud til blomster, ville Detlef Weigel vide mere om, hvordan overgangen fra den vegetative fase til blomstring blev kontrolleret. Det",="" serif;="" font-size:="" 20px;"=""> førte oprindeligt til opdagelsen af ​​FT-genet, som viste sig at kode for et mobilt blomsterinducerende signal, men det fik også Detlef Weigel til at tænke på blomsternes rolle i lokal tilpasning.

”Et oplagt næste skridt var at spørge, hvordan Arabidopsis thaliana-stammer fra forskellige regioner i artsområdet reagerer på de blomsterinducerende signaler, som dagens længde og temperaturen. Det rigtige tidspunkt for blomstring er meget vigtig for planter. Hvis de blomstrer for sent på året, er der ikke nok tid til, at frugterne modnes. Når blomster derimod blomstrer for tidligt på året, kan de dø på grund af frost. Og hvis planter er afhængige af befrugtning af bier eller andre insekter, skal de blomstre på et tidspunkt, hvor disse insekter faktisk er til stede. Så det tidspunkt, hvor planter blomstrer inden for sæsonen, er meget kritisk.”

Detlef Weigel og hans langvarige samarbejdspartner Joanne Chory ved Salk Institute fandt hurtigt, at Arabidopsis thaliana er en fremragende model til at studere naturlig variation i blomstringen - og også i mange andre egenskaber, der er relevante for overlevelse i forskellige miljøer. Detlef Weigel blev overbevist om, at undersøgelsen af ​​genetisk variation inden for arter var et af de næste store biologiske områder. Udfordringen var, at han blev bredt anerkendt som en udviklings- og molekylærbiolog, men han havde ikke et navn inden for evolutionær biologi, og det var uklart, hvordan han kunne sikre finansiering til den nye retning uden at være ekspert på dette område. 

”Præcis på det tidspunkt blev jeg tilbudt en stilling som direktør ved Max Planck Institute for Developmental Biology i Tübingen, hvor jeg fik carte blanche til at forfølge alt, hvad jeg syntes var den mest værdifulde forskning. Det var oplagt at acceptere tilbuddet på trods af de fantastiske kolleger, som jeg havde på Salk Institute.”

For meget af en god ting

Et godt eksempel på, hvordan støtte fra Max Planck Society gjorde det muligt for Detlef Weigel at udforske helt nye retninger, er hans arbejde med autoimmunitet. Dette begyndte, da en af ​​hans kandidatstuderende ved Max Planck Institute, Janne Lempe, fandt to stammer af Arabidopsis thaliana, der kom fra den samme landsby, men blomstrede på forskellige tidspunkter. Forskerne mente, at de var meget nært beslægtede, og at måske kun en enkelt genforskel var årsagen. For at finde ud af, om det var rigtigt, var det første skridt at krydse de to stammer. 

”Til vores store overraskelse fik vi afkom, der så virkelig underlige ud. Først forstod vi ikke, hvad der nøjagtigt foregik, men det var tydeligt for os, at det var et usædvanligt fænomen, som vi må undersøge. Senere opdagede vi, at den dårlige udvikling hos afkommet stammede fra, at de her planter var paranoide. De opfører sig, som om de er under kraftigt angreb udefra, selv om de ikke har patogener eller andre parasitter omkring dem. Mere videnskabeligt set: disse planter led af autoimmunitet. Som hos mennesker kan et overaktivt immunsystem i planter være dødeligt.”

Undersøgelsen af ​​dette syndrom, kaldet hybrid nekrose, fordi det ikke kun er dårlig vækst, men også voldsom død af væv, viste sig at afsløre vigtige ting til forståelse af planters immunsystem. I samarbejde med Jeff Dangl demonstrerede Detlef Weigels gruppe, at autoimmuniteten blev udløst af uoverensstemmende immungener. Selvom både evolution eller planteavlere ønsker at fremelske så mange immungener som muligt, er der tilsyneladende grænser for dette. ",="" serif;="" font-size:="" 20px;"="">På et tidspunkt begynder immungenerne at forstyrre hinanden og aktivere immunsystemet, selv uden en ekstern trigger. 

",="" serif;="" font-size:="" 20px;"="">”",="" serif;="" font-size:="" 20px;"="">Dette er kernen i evolutionær biologi. Evolution er så fascinerende, fordi det altid involverer kompromisser, så hvis en organisme formår at gøre en ting, betyder det ofte, at den ikke kan gøre noget andet. Det gælder jo ikke kun for biologi, men for livet generelt!”

0,1% bedre

Flytningen til Tübingen i 2001 betød også et skridt hen imod meget mere generelle spørgsmål om planteudvikling. Der var for nylig opfundet mikroarrays, så pludselig kunne plantevariation over hele genomet undersøges på DNA-sekvensniveau. Detlef Weigel erkendte, at ligesom det første referencegenom for Arabidopsis thaliana havde revolutioneret undersøgelser af mutationer induceret i laboratoriet, så ville genomsekvenser for yderligere stammer revolutionere undersøgelser af mutationer induceret af naturlige processer. Detlef Weigel lancerede derfor det første store program om DNA-variation imellem planter af samme art.

”De første komplette genomer af nogle få arter blev tilgængelige omkring årtusindeskiftet. Artiklerne havde altid titler som” det menneskelige genom” eller ”Arabidopsis thaliana-genomet ”. Set i bakspejlet ville en mere korrekt titel have været 'det første menneskelige genom' og 'det første Arabidopsis thaliana genom'. Dit genom er forskelligt fra mit genom, så det ikke giver meget mening at henvise til det menneskelige genom. Vi vidste selvfølgelig, at genomer adskiller sig, men vi havde ikke noget begreb om, hvor omfattende variationen er.”

Det mikroarray-baserede projekt anvendte en milliard forskellige DNA-prober til at undersøge DNA-forskelle i 20 stammer af Arabidopsis thaliana - en gigantisk bedrift på det tidspunkt. Den største indsigt fra denne undersøgelse var, at der kan være hundreder hvis ikke tusinder genetiske forskelle mellem medlemmer af den samme art. Detlef Weigel ville have en mere detaljeret viden om, hvor meget og hvorfor genomer adskiller sig, og da nye DNA med høj kapacitet af DNA-sekventering blev tilgængelig i 2007, foreslog han straks et gigantisk projekt: at sekvensere genomerne på mere end tusind stammer.

”Vores kolleger, der arbejdede med humane genomer, havde lige startet "1000 Genomes"-projektet for mennesker, så vi troede, det ville være lidt fjollet at gøre nøjagtig det samme for Arabidopsis thaliana. Jeg havde en besøgende på det tidspunkt, Jim Carrington, som sagde til mig: 'Uanset hvad du gør, skal du altid være 0,1% bedre end konkurrenten', og på den måde blev 1001 Genomes Project født!”

Der var dog en mening med galskaben. Målet var at undersøge  10 individer fra hver af 10 populationer i 10 geografiske regioner, i alt 1000 genomer plus det originale genom som reference. Således 1001 - et navn, der hang ved og gav et pejlemærke for det fremtidige fokus for Detlef Weigels forskning, selvom han ikke kun holdt sig til Arabidopsis thaliana. Han hjalp også med at få genomerne af andre arter som Arabidopsis lyrata og Capsella rubella kortlagt, for at give et nyt perspektiv på forskelle, der blev observeret inden for en art, ved at sammenligne dem med forskelle, der findes mellem arter.

”Det videnskabelige felt var ikke klar over, hvor stor variation der er både inden for og mellem arter. En af de mest bemærkelsesværdige opdagelser, der er blevet gjort i de år, er måske, at et betydeligt antal vilde planter har stykker af DNA fra Agrobacterium-bakterier i dem. Disse fodaftryk viser, at naturen faktisk ændrer deres genomer ved hjælp af de samme metoder, som moderne bioteknologer bruger til at modificere planter i laboratoriet.”

Regn i Spanien

Bortset fra patogener er klimaet en anden vigtig drivkraft for planteudvikling. Med ressourcerne fra 1001 Genomes-projektet i hånden kunne Detlef Weigels gruppe for første gang spørge, hvad udsigterne var for tilpasning til et skiftende klima, ikke kun på et specifikt sted, men gennem hele spektret af Arabidopsis thaliana. 

”Vi begyndte at tænke over, hvad et ændret klima vil gøre for Arabidopsis thaliana, der vokser meget forskellige steder, fra Middelhavet til polarcirklen. Jeg var meget heldig, da for ca. 5 år siden sammen med Moi Exposito-Alonso, dengang en førsteårs ph.d.-studerende, oprettede dette ekstremt ambitiøse eksperiment, hvor han tog hundreder af stammer fra 1001 Genomes-projektet og fik dem til at vokse i både Tyskland og i Spanien, under forhold, der efterligner regn i et typisk tysk år eller et typisk spansk år. 

Hele laboratoriet kastede sig ind for at registrere planternes overlevelse, som adskiller sig meget mellem de to steder og de to forhold. Med dataene fra 24.000 forskellige potter med planter kunne vi ikke kun kortlægge de nøjagtige sekvensvarianter, der hjælper planter med at overleve under dagens forhold, men også forudsige, hvilke arabidopsispopulationer der er i den største risiko for fremtidig udryddelse. En af de vigtigste opdagelser var, at gener, der er nyttige i både Tyskland og Spanien, er sjældne; et gen, der hjælper en plante med at overleve bedre i Tyskland, er typisk ugunstigt i Spanien. Igen er trade-offs nøglen!

Det ville være fantastisk, hvis man kunne avle en enkelt sort, der ville være optimal overalt, men det er ikke sådan, det fungerer. Konsekvensen af ​​dette er imidlertid mere overraskende. Med klimaforandringer ved vi, at området omkring Middelhavet vil blive endnu tørrere, så du måske tror, ​​at Middelhavsplanterne ville være dem, der er mest udsat for, men det viser sig, at de befolkninger, der er mest udsat for, er dem i Centraleuropa.”

Ifølge Detlef Weigel har disse planter stort set ingen genetiske værktøjskasser til at klare den udvidede tørke, mens planterne i Middelhavet burde være i stand til at reagere på den udvidede tørke relativt hurtigt. Den gode nyhed er, at flere og flere gener og varianter opdages, der hjælper planter med at trives under ugunstige forhold. Dette har igen ført til, at Det Mellemstatslige Panel for Klimaændringer specifikt omtaler brugen af ​​moderne avleteknologi og genomer til at hjælpe planter med at tilpasse sig hurtigere.

”Evolution fungerer muligvis ikke hurtigt nok til at redde disse planter, men vi er heldige, da vi nu har genomiske teknologier, der giver disse planter et forspring. Ligesom genomredigering revolutionerer medicin og dyreopdræt, er det en revolutionerende teknologi for planter.”

Ingen gratis frokost

Da træer stadig er en af ​​de bedste metoder til fjernelse af kuldioxid fra atmosfæren, synes Detlef Weigel, at det vil være en skam, hvis vi ikke brugte moderne værktøjer til at hjælpe planter med at overleve konsekvenserne af klimaændringer. Som i naturen handler dette valg også om afvejninger.

”Jeg tror ikke, at vi alle dør af sult, hvis vi ikke bruger gensplejsning, men hvis vi ikke bruger det, bliver vi sandsynligvis nødt til at øge brugen af ​​landbrugsjord, og jo mere jord, vi skal bruge til landbrug, jo mindre jord der er, for eksempel, til træer. I naturen er der heller ikke noget, der er gratis. Når man gør en ting, må man ofte vælge en anden fra.”

Detlef Weigel mener derfor, at vi ikke bare skal blive bedre til at forklare fordelene ved planterne - for forbrugeren og for miljøet. Vi må også forklare meget tydeligt, hvad der sker, hvis vi ikke bruger de moderne metoder til planteavl eller endda til at styrke genetikken for vilde plantearter.

”Forsigtighedsprincippet har haft en stor succes i europæisk miljøregulering, men dette har også ført til, at vi for oftest fokuserer på potentielle negative konsekvenser, selvom de er meget sjældne. Vi skal huske, at en tomat, der ikke er blevet redigeret i sit genom, for at gøre dens dyrkning mere bæredygtig, ofte medfører en omkostning. Økonomer taler om alternativomkostninger , og alternativet",="" serif;="" font-size:="" 20px;"=""> her er at tilføje et gen og dermed spare gødning, pesticider og miljøet.”

Novozymes-prisen 2020 går til Detlef Weigel, professor og direktør for Max Planck Institute for Developmental Biology i Tübingen, Tyskland.