Bibliografiska uppgifter för Att genmodifiera en växt - hur går det till? Tidskrift/serie Forskningsnytt om økologisk landbruk i Norden Utgivare Sveriges lantbruksuniversitet (SLU) Redaktör Ullvén K. Utgivningsår 2005 Nr/avsnitt 3 Författare Eriksson D. Huvudspråk Svenska Målgrupp Rådgivare, praktiker Nummer (ISBN, ISSN) ISSN 1400-8688 FORSKNINGSNYTT • Nr 3 • 2005 Att genmodifiera en växt – hur går det till? Genmodifiering har på senare år blivit ett begrepp inom växtförädlingen. Detta har gett upphov till många kontroverser, som inte bara har med växtens genetiska profil att göra utan även handlar om ekologi, ekonomi, hälsa, ideologi och i slutänden politik. Men vad är egentligen en genmodifierad växt? Denna text berättar hur det går till att framställa en genmodifierad planta. Genteknikens intåg förståelsen ska jag först kort beskriva uppbyggt av DNA samt organiserat i i växtförädlingen vad gener och DNA är för något. gener. Grundförutsättningen för den moderna gentekniken är att gener kan flyt- Det senaste årtiondet har många växtförädlare börjat använda tekniker för att han- Vad är en gen? tera och modifiera enskilda gener. Dessa Det finns gener i tekniker är molekylärbiologiska verktyg cellerna hos alla le- som kan fungera som komplement till vande organismer traditionell växtförädling. Teknikerna för på vår jord; i såväl Att hantera gener genmodifiering (GM) är dock till stor del växter och encelliga På 1960- och 1970-talet utvecklades obekanta för många lekmän och person- bakterier som män- många tekniker för att arbeta med DNA ligen tror jag att detta kan vara en av niskor. Redan 1944 och isolera enskilda gener. En viktig upp- orsakerna till den utbredda skepsisen visade Avery att det täckt gjordes 1970 då man hittade ett bland allmänheten mot GM-grödor. genetiska materialet – arvsmassan – be- enzym som ”klipper” en DNA-sträng fosfat tas mellan olika arter och ändå fungera, socker bas det vill säga fortsätta koda för sitt protein. står av DNA. Nio år senare beskrev Wat- vid en specifik, kort sekvens. Detta så Det finns många metoder som ryms inom son och Crick den molekylära struktur- kallade restriktionsenzym finns normalt begreppet GM, men den som folk fram- en av DNA och detta innebar ett stort i bakterier där det används som skydd förallt tänker på och den som mest bidra- genombrott i utvecklingen av den mo- mot virusinfektioner. Det finns nu flera git till kontroversen kring GM-grödor är derna gentekniken. Enligt deras modell hundra olika restriktionsenzym som transgenetiken, där man bryter art- består DNA av två parallella, spiral- klipper vid olika DNA-sekvenser och barriären och överför en eller flera gener formade ”ryggrader” av socker- och med dessa kan man med stor noggrann- mellan vitt skilda organismer. Ett exem- fosfatmolekyler på vilka de fyra bas- het klippa ut precis den gen man vill pel är Bt-grödorna, där man har fört in molekylerna adenin, cytosin, guanin och använda i sitt experiment. Några år tidi- en gen från bakterien Bacillus thuringien- tymin (A, C, G och T) sitter. Det är sek- gare hade man även upptäckt ett enzym sis som producerar ett insektsgift och på vensen, det vill säga den inbördes ord- som kan användas för att ”klistra ihop” så sätt gjort grödorna resistenta mot vissa ningen hos dessa baser, som avgör vil- DNA-strängar, ett så kallat ligas, och nu insekter. En annan metod att genmodi- ken genetisk information som DNA-mo- låg vägen öppen för att bygga precis de fiera växter är när man på olika sätt på- lekylen innehåller. En gen är en avgrän- DNA-sekvenser och genkombinationer verkar växtens egna gener. Man kan till sad bit av en DNA-sträng, från några man ville ha. Nu ska påpekas att DNA exempel ”stänga av” en gen. Ett exem- tusen upp till ett par miljoner baser lång, naturligtvis är alldeles för litet för att pel på detta är Flavr Savr-tomaten som vars unika bas-sekvens används för att man ska kunna hantera enstaka mole- marknadsfördes 1994 av ett amerikanskt bygga upp ett eller flera protein. Man kyler. I en enda droppe kan det finnas företag. Man hade i dessa tomatplantor säger att genen ”kodar för” ett protein. många miljoner molekyler och därför stängt av en gen som är inblandad i mog- Med protein menas här en produkt som måste det finnas något sätt att mångfal- naden av frukterna, vilket gav tomater uppfyller en viss funktion i eller utanför diga den DNA-sekvens man jobbar med. med bättre hållbarhet. cellen, till exempel som enzym eller sig- För detta använder man oftast bakterien nalsubstans. Escherichia coli. Denna, liksom de flesta andra bakterier, bär på cirkulära DNA- I denna artikel vill jag beskriva några av de tekniker som används för att gen- Samtliga levande organismer har alltså molekyler som kallas plasmider. Med modifiera växter. Men för att underlätta ett genetiskt material som på detta sätt är hjälp av restriktionsenzymer och ligas 4 FORSKNINGSNYTT • Nr 3 • 2005 kan man föra in sin gen i en sådan plas- I och med att bakteriens egna gener är metoden och redan 1997 hade över 120 mid. När man sedan odlar bakterien i en borttagna så utvecklas dessutom inte olika växtarter blivit transformerade på näringsrik lösning så kommer den att sjukdomen som bakterien normalt ger detta sätt. dela sig och då även kopiera plasmiden, upphov till i växten. Vävnadsodling och selektion vilket gör att alla nya bakterier kommer att innehålla den införda genen. Däref- Andra tekniker för När man behandlar växtmaterial för att ter kan man utvinna DNA:t ur bakte- transformering av växter transformera det så är det alltid bara en rierna och fortsätta modifiera genen, som Under 1980-talet testades även många del av växtcellerna som tar upp den nu finns i miljoner kopior. andra tekniker för att transformera väx- främmande genen. För att få plantor där ter. Man provade bland annat direkt samtliga celler innehåller den främ- Genvägen in i växten överföring av DNA genom mikroinjek- mande genen så jobbar man därför of- Ett genombrott inom växtbioteknik kom tion, elektroporering (behandling med tast med delar av växten, till exempel 1983 då man för första gången lyckades kort elektrisk puls) av växtcellerna, över- blad, stjälkdelar eller rötter, som man framställa en transgen växt. Man använ- föring av DNA till protoplaster (växtc- efter behandling regenererar nya, hela de sig av en jordlevande bakterie, Agro- eller utan cellvägg) samt transformering plantor från. Det kan man göra genom bacterium tumefaciens, som har en natur- med partikelkanon, även kallad biolis- att odla växtdelarna på ett medium som lig mekanism för att föra över gener till tik. Av alla metoder var det bara biolis- innehåller olika växthormoner, till ex- växter. Man har länge känt till att denna tik som var jämförbar med A. tumefaciens empel cytokinin och auxin, som styr till- bakterie orsakar sjukdomen ”crown gall i effektivitet. Denna metod går ut på att växten av växtceller. Om man alltså disease” hos växter, men det var inte man täcker små metallpartiklar med lyckas få en transformerad växtcell att förrän på 1970-talet som man upptäckte DNA och bokstavligen skjuter in DNA:t börja dela sig och utveckla en ny planta att sjukdomen orsakades av att bakte- i växtcellerna. Transformering med A. så kommer samtliga celler i denna planta rien överförde sina gener till växten. Hur tumefaciens är dock den mest använda att vara transformerade. Detta är viktigt går då denna genöver- om man vill att det transgena anlaget föring till? Jo, A. tumefaciens bär på en speciell plasmid ska finnas i hela plantan, men även för Resistensgen/önskad gen som kallas Ti-plasmid och Agrobacterium tumefaciens mer att vara transformerade och trans- ”Klippa och klistra” innehåller flera gener som att pollen och fröceller garanterat komgenen då kommer att föras vidare till är inblandade i överfö- nästa generation. ringen till växten. En liten avgränsad del av denna Men hur kan man då veta att det är just plasmidmolekyl inkorporeras i växtcellens DNA vid de transformerade cellerna som regenererar nya plantor, och inte de otransfor- Transformering en infektion. Man lyckades identifiera två korta DNA- Odling av celler Otransformerade celler selekteras bort merade? Jo, för det så krävs någon form av selektion av cellerna. Denna selektion sekvenser i plasmiden som görs ofta med hjälp av en gen som gör avgränsar just den delen av cellerna resistenta mot ett antibiotikum plasmiden som överförs till som normalt dödar eller försvagar växt- växten. Det intressanta är cellerna. Denna resistensgen för man in att man kan plocka bort tillsammans med sin önskade gen. När Regenerering av nya plantor bakteriens egna gener som man sedan odlar alla celler på ett me- sitter mellan dessa ”grän- Transformerade celler ser” och istället sätta in vil- ler detta antibiotikum så är det endast de ken gen som helst, utan att överföringsmekanismen påverkas. När man sedan dium som, förutom hormoner, innehåltransformerade cellerna som kan växa. Helt transformerad planta En lång process låter bakterien infektera När man så efter några månaders väv- växten så förs därmed den nadsodling har transformerade plantor önskade genen in i växten. i växthuset så följer en lång process att 5 FORSKNINGSNYTT • Nr 3 • 2005 välja ut de plantor som bäst visar upp det önskade anlaget. Man undersöker även avkomman för att vara säker på att Ordlista Bas En av de fyra molekyler som bygger upp DNA och RNA. Baserna i DNA är adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och tymin (T). I RNA ersätts tymin av uracil (U). Biolistik Metod att transformera växter. En partikelkanon används för att skjuta metallpartiklar täckta med DNA in i cellerna. Bioteknologi Alla tekniker där man manipulerar livsformer för att erhålla användbara produkter. En vanlig missuppfattning är att bioteknologi bara är teknik där man modifierar gener. Det innefattar dock även så skilda saker som vinbryggning, brödbakning och all slags växtförädling. DNA Deoxyribonukleinsyra. Den kemiska grunden i arvsmassan. Organiserat i kromosomer som i sin tur innehåller ett stort antal gener. Gen Enhet i arvsmassan. Inkluderar den del av DNA som kodar för en polypeptidkedja (protein) samt tillhörande reglerande DNA-sekvenser. det transgena anlaget är stabilt. När de bästa plantorna tagits fram följer en mångårig period av traditionell förädling då plantans fördelaktiga egenskaper korsas in i en existerande sort som har andra bra kvaliteter. Den största fördelen med GM-tekniker är exaktheten. Man vet precis vilken gen man jobbar med, till skillnad från traditionella korsningar där man flyttar tusentals gener. Det är fortfarande dock en mycket lång process att ta fram en GM-gröda. Från Genmodifiering Selektiv, medveten modifiering av arvsmassan på sätt som inte sker naturligt genom parning eller naturlig rekombination. Genom Det totala genetiska materialet i en cell. tressant gen till att den motsvarande Hormon Kemiskt signalämne som förekommer både i växter och djur. GM-grödan släpps på marknaden kan Kloning Kopiering av en molekyl eller en hel organism. det gå 12–15 år. Det är heller inte fråga Kromosom Enhet i genomet. Bär många gener och består av en mycket lång DNA-molekyl samt histoner (proteiner). Plasmid Cirkulär DNA-enhet i bakterier. Ej del av den normala bakteriekromosomen. Används ofta som vektor i experiment för genmodifiering. Protein Den slutliga produkten av en gen. Består av en lång kedja av aminosyror. Inkluderar enzymer, antikroppar, hormoner och receptorer etc. RNA Ribonukleinsyra. Finns i tre olika varianter som alla är involverade i protein-syntesen. DNA kopieras först till RNA innan informationen i den genetiska koden omsätts till ett protein. Restriktionsenzym Enzym som “klipper” DNA vid specifika, korta bas-sekvenser. Mycket viktiga i experiment där man rekombinerar DNA. växtförädling vid Sveriges lantbruksuni- Transformering Process där främmande DNA förs in i en cell. versitet (SLU) i Alnarp. Han arbetar med Transgen En organism vars celler innehåller genetiskt material från andra organismer än sina föräldrar. Vektor Redskap som används för att föra nya gener in i celler. Oftast används plasmider, men även virus kan användas. Vävnadsodling Odling av celler från högre organismer in vitro, det vill säga på näringsrikt medium i steril laboratoriemiljö. det första arbetet med att isolera en in- om att ersätta traditionella förädlingsmetoder utan man ska snarare se GMteknikerna som ett komplement. ■ Dennis Eriksson Tel: +46 (0)40 415526 E-post: [email protected] Dennis Eriksson är doktorand i genetik och ett projekt för domesticering av en ny perenn oljeväxt, fältkrassing (Lepidium campestre). Växten är avsedd för produktion av vegetabilisk industriolja. Inom projektet använder han såväl moderna gentekniska metoder som mer traditionella förädlingsmetoder med korsningar och mutationer. Litteratur de la Riva, G.A. et.al. 1998. Agrobacterium tumefaciens: a natural tool for plant transformation. Electronic Journal of Biotechnology, Vol.1, No.3. Available online at http://www.ejb.org. (En teknisk artikel om transformering av växter med Agrobacterium tumefaciens.) Brändén, Henrik. 2001. Molekylärbiologi. Studentlitteratur, Lund. (En lättfattlig bok om teori och tekniker för arbete med DNA.) 6