Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri

Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri

Danmarks JordbrugsForskning

Mødeledere:

Christian Haldrup, Landbrugets Rådgivningscenter og Preben Bach Holm, Danmarks JordbrugsForskning

Bioteknologi - status og fremtid

Efterårskonference

PLANTEAVL 2002

Hotel Nyborg Strand

24 september,

Ministry of Food, Agriculture and Fisheries

Danish Intitute of Agricultural Sciences

Planteavlens udfordringer

Det lokale plan

• Stigende international konkurrence

• Reducerede tilskud

• Reduktion i anvendelsen af gødning og pesticider

• Reduceret dyrkningsareal



Planteavlens udfordringer

Det globale plan

• I udviklingslandene ernærer 70% af befolkningen sig direkte eller indirekte ved landbrug. Forøget indtjening i landbruget er en forudsætning for disse landes fort-satte udvikling

• 800 mill. mennesker lever for mindre end en US$ per dag

• Befolkningen i udviklingslandene vil stige med 3 mil-liarder mennesker indtil 2050

• Milliarder af mennesker er fejlernærede

• Der skal produceres lige så mange fødevarer indenfor de næste 50 år som i hele landbrugets historie

Indtil nu har det været muligt for fødevareproduktionen at holde trit med befolkningsudviklingen. Dette skyldes:

Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og FiskeriDanmarks JordbrugsForskning

Det vil være muligt at forøge udbytterne via inddragelse af marginaljord og yderligere anvendelse af kunstvanding, gødskning og pesticider

MEN:

Mere af det samme vil ikke løse problemet!

•Udvikling af nye plantesorter med bedre udbytte og sygdomsresistens (50%)

• Udvikling af bedre dyrkningsteknologi, herunder anvendelse af kunstvanding, kunstgødning og pesticider (50%)



Den nye Grønne Revolution skal være

dobbelt grøn,

en Biorevolution

Der er behov for en ny Grøn Revolution


Baggrund

• Forståelsen af den genetisk basis for planters egenskaber udvikler sig i disse år meget hurtigt

• Dette skyldes udvikling af en række genetiske værktøjer og teknikker, der muliggør langt mere omfattende og detaljerede analyser end tidligere

• Vi vil få en omfattende viden om vore kulturplan-ters egenskaber indenfor områder som:

• Human og animalsk ernæring

• Sygdomsresistens

• Udnyttelse af næringsstoffer

• Tolerance overfor kulde og tørke

Men nye muligheder skaber nye problemer



• Bioteknologi – visioner og muligheder Preben Bach Holm, Danmarks JordbrugsForskning

• Lovgivning om dyrkning af gensplejsede planter i EU Svend Pedersen, Plantedirektoratet

• Anvendelse af DNA markører i plantefor-ædlingen Gunter Backes, Forskningscenter Risø



• Plantebioteknologiens udvikling

• Status for de økonomiske og miljømæs-sige konsekvenser af plantebioteknologi

• Fremtiden og internationale og danske forskningsinitiativer

DISPOSITION

Teknologier

Det er i dag muligt at lave en stor-skala sekven-tering af planters arvemasse: Genomet


Arabidopsis thaliana (Gåsemad)planteforskningens bananflue

• Arabidopsis blev færdigsekven-teret i år 2000

• Der er identificeret 26.500 gener

• Mindre end 10% af disse gener har været analyseret.

• Halvdelen af generne er hidtil ukendte


Ris

• Den officielle og frit tilgængelige genomsekvens af ris forventes offentliggjort i slutningen af år 2002

• Der er identificeret 46.000 – 55.000 gener


Microarrays

• Etablering af de såkaldte microarrays muliggør, at mange tusinde geners udtrykkelse kan analyseres samtidigt


Proteomics

Ved hjælp af prote-omics kan man få en kvantitativ vurdering af de forskellige vævs indhold af proteiner og ændringer som følge af indefra eller udefra kommende påvirknin-ger


Bioinformatik

•Den genetisk information samles i store data-baser.

• For at kunne håndtere og udnytte de store mængder information er der udviklet en ny disciplin:

Bioinformatik


Genetik og DNA markører

• Plantegenetikken gennemgår en meget hurtig udvikling især grundet udviklingen af de såkaldte DNA markører


Er egenskaben tilstede i nære slægtninge?

Konventionel foræd-ling og mutagenese

Kortlægning afde involverede gener

Identifikation af DNA markører

DNA markør baseret forædling

JA

GMO forædling

NEJ

Indsættelse af generfra andre organismer

Fremtidens planteforædling

Gensplejsning for ka-rakter identifikation

Screening af sorter og vilde slægtninge

Udvikling af mar-kører for genet




Anvendelse af plantebioteknologi i industrilandene

• DNA markører anvendes som værktøjer af langt de fleste planteforædlere

• Det er ikke muligt at vurdere den økonomiske og prak-tiske betydning af denne del af plantebioteknologien, idet der ikke er krav om dokumentation for frembringel-sesmåde indenfor den “konventionelle” forædling

• Kravet om dokumentation for sorter frembragt ved gensplejsning muliggør detaljerede undersøgelser af effekten på økonomi og miljø.




Herbicidresistente soyabønner

• 75% af soyabønneproduktion i USA var I 2002 herbicidresistente sorter.

• Dyrkningsmæssige fordele:

•Reducerede energi- og lønudgifter på grund af færre sprøjtninger.

• Reducerede pesticidudgifter

• Større frihed hvad angår sprøjtnings-tidspunkt

• Gav i 2001 en merindtjening p$1000 mill.

• Miljømæssige fordele:

• Ingen eller stærkt reduceret jordbear-bejdning

• 13.4 mill pund glyphosat har erstattet 9.9 mill pund væsentligt giftigere herbicider (1999)

Herbicidresistent raps i Canada


• Ifølge Canola Council of Canada gav de inddirekte og direkte fordele ved rapsdyrkning en merindtjening på $ 464 mill. for perioden 1997-2000

• Der var i 2002 en energibesparelse på 31.2 mill liter dieselolie

• Det er uklart, om der har været en reduktion i mængden af herbicider, men de anvendte midler er mere miljøvenlige


Insektresistent Bt majs

• 34% af majsproduktionen i USA var i 2002 insekt og/eller herbicid resistent

• European Corn Borer forårsager årlige udbyttetab i USA på 1 milliard $

•Dyrkningsmæssige fordele

• Permanent insektbeskyttelse

• Mindre monitering

• Gav i 2001 en merindtjening på 58 mill $

• Miljø- og sundhedsmæssige fordele

• Mindre reduktion i pesticidforbrug

• Væsentlig reduktion i svampangreb - aflatoxiner

FUNGAL MYCOTOXINS IN CORN

Corn cob with Fusarium infestation

European Corn Borer (a)

& Pink Stem Borer (b)

in a corn stalk (a)

(b)

• Under adverse climatic conditions, fungi of the Fusarium family can infest corn plants. Damage caused by tunnel-boring larvae of insects such as the European Corn Borer or the Pink Stem Borer facilitates fungal infestations.

• Fusarium sometimes produce potent toxins known as mycotoxins. Their toxicity to animals are well known, their effects on humans is increasingly investigated.

• In Europe, current regulations cover mainly aflatoxins. Regulation may soon be extended to cover other mycotoxins (for example fumonisins).

Insektresistent Bt bomuld• 71% af bomuldsproduktionen i USA var i 2002 insekt- og/eller herbicidresistent.

•Angreb af møllarver forårsager meget store udbyttetab, og der sprøjtes meget hyppigt med bredspektrede insekticider.

• Dyrkning af bomuld er opgivet i en række områder på grund af udvikling af resistens mod insekticiderne.

• Dyrkningsmæssige fordele

• Permanent beskyttelse

• Mindre monitering

• Gav i 2001 en merindtjening på $ 133 mill

• Miljømæsssige fordele

• Reduktion på 2.7 mill pund insekticider i 1999 i USA




”En omfattende gennemgang af den videnskabe-lige litteratur støtter den generelle konklusion, at de nuværende markedsførte gensplejsede sorter af sojabønner, majs og bomuld giver miljømæs-sige fordele. Derudover støtter en kritisk analyse af litteraturen det synspunkt, at de gensplejsede sorter af sojabønner, majs og bomuld ikke giver ophav til bekymringer for miljøet, der er unikke eller forskellige fra de bekymringer, der historisk set er forbundet med de konvenionelt frembragte sorter”.Comparative Environmental Impact of Biotechnology-derived and Traditional Soybean, Corn and Cotton Crops (Council for Agricultural Science and Technology, Iowa, USA (http://www.cast-science.org/biotechnology)

I 2001 var der i USA en samlet reduktion i pesti-cidanvendelsen på 45,6 mill pounds

Insektresistent Bt bomuld i Kina

• I 2001 dyrkedes der insektresistente sorter på 31% af bomuldsarealet (1.5 mill. hektar).

• Der kan igen dyrkes bomuld i områder, hvor produktionen på grund af insekticidresistens var opgivet

• Sorterne er dels udviklet i Kina (22 sorter), dels markedsføres amerikanske sorter (5 sorter)

• Der er en stabil udbyttefremgang på 10%

• Pesticidforbruget er mere end halveret (78.000 tons formuleret insekticid)

• Antallet af forgiftningstilfælde hos landmændene er gået markant ned

• I 2001 var der en merindtjening på $ 500 pr. hektar

• For Mexico, Sydafrika, Indien og Indonesien har man fået lignende resultater fra markforsøg.


WORLDWIDE REDUCTION IN PESTICIDE USE FROM BIOTECH CROPS

Total estimated reduction:22 million kg of

formulated product

Source: Phipps. R.H., and Park, J.R. (2002). Environmental benefits of genetically modified crops: Global and European Perspectives on their ability to reduce pesticide use. Journal of Animal and Feed Sciences. Vol. 11(1) 1:18

Estimations for the year 2000

BT: Bacillus thuringensis, insect-protectedHT: herbicide-tolerant

POTENTIAL PESTICIDE REDUCTION IN THE EU

Biotech

Conventional

Total estimated reduction: 15 million kg formulated product(over 4 million kg ai)

Source: Phipps. R.H., and Park, J.R. 2002. Environmental benefits of genetically modified crops: Global and European Perspectives on their ability to reduce pesticide use. Journal of Animal and Feed Sciences. Vol. 11(1) 1:18

Reductions assuming 50% biotech crops in the EU (for 2000)

BT: Bacillus thuringensis, insect-protectedHT: herbicide-tolerant



Såfremt 50% af EU’s produktion af majs, raps, sukkerrroer og bomuld blev udskiftet med herbicid og insektresistente sorter, ville man opnå følgende årlige besparelser:

•14.500 tons pesticider (4.400 tons aktiv kom-ponent)

• Reduktion i sprøjtninger svarende til et sprøjte-areal på 7.5 mill ha

• 20.5 mill liter diesel

• CO2 udledning på 73.000 tonsPhipps and Clark 2002. J. Anim Feed Sci. 11, 1-18


AFGRØDE KARAKTERTRÆKByg Virus resistens, maltkvalitet

Hvede Herbicidresistens, Fusarium og Septoriaresistens, bagekvalitet, stivelses- og

proteinsammensætning, udbytteMajs Stivelses- og proteinsammensætning,

Fusarium resistens, udbytteRaps Oliesammensætning, dryssefasthed,

svamperesistens,Kartofler Svampe-, nematode- og virusresistens,

stivelsessammensætningFoder- og sukkerroer Nematode- og virusresistens, ændret

sukkerindhold

GMO afgrøder under udvikling


A Danish Functional Genomics Research Initiative for Improving Feed Quality and

Disease Resistance in Grasses and Cereals (DAFGRI)

Et nyt dansk forskningsprogram finansieret af Direktoratet for

FødevareErhverv

•Deltagere: Danmarks JordbrugsForskning, Forskningscenter Risø

• Budget: Kr. 20 mill. over fire år

DJF – Risø Program (20 mill)Aftalebevilling via CO2 midlerneDJF – Risø Program (20 mill)

Aftalebevilling via CO2 midlerne

FÆLLES TEKNOLOGI PLATFORMEST sekventering Databaser Bioinformatik Microarrays





Fo

sfa

tmet

ab

olis

me

i h

ve

de

DJ

F

Am

ino

sy

rem

eta

bo

lism

e i b

yg

, DJ

F

Fy

tin

sy

re b

ios

yn

tes

e i

by

gR

isø

Me

ldu

gre

sis

ten

s i

byg

Ris

ø

Blo

ms

trin

g i

rajg

ræs

Ris

ø

Fru

ktan

met

ab

olis

me

i ra

jgræ

s, R

isø

,

Fru

ktan

met

ab

olis

me

i ra

jgræ

s, D

JF



• Introduktionen af genetisk modificerede planter har skabt en global diskussion:

• Internationale handelsregler

• Segregering og mærkning

• Risiko for sundhed og miljø

• Rettigheder til plantegener, sorter og anvendelsesmuligheder


• GMO problematikken har fremskyndet en udvikling, der allerede var på vej:

• Sporbarhed fra “jord til bord”

• Fødevarers kvalitet og betydning for menneskers sundhed

• Globale regler for handel med og godkendelse af nye fødevarer




Fo

sfa

tmet

ab

olis

me

i h

ve

de

DJ

F

Am

ino

sy

rem

eta

bo

lism

e i b

yg

, DJ

F

Fy

tin

sy

re b

ios

yn

tes

e i

by

gR

isø

Me

ldu

gre

sis

ten

s i

byg

Ris

ø

Blo

ms

trin

g i

rajg

ræs

Ris

ø

Fru

ktan

met

ab

olis

me

i ra

jgræ

s, R

isø

,

Fru

ktan

met

ab

olis

me

i ra

jgræ

s, D

JF


Fosfat

•Fremstilling af microarrays fra den udviklende byg- og hvedekerne

• Undersøgelser af de genetiske mekanismer bag fosfat deponering i kernen

• Identifikation af gener involveret i fytinsyresyntesen

• Sekventering af udtrykte gener i forskellige væv i byg- og hvedekernen




Fo

sfa

tmet

ab

olis

me

i h

ve

de

DJ

F

Am

ino

sy

rem

eta

bo

lism

e i b

yg

, DJ

F

Fy

tin

sy

re b

ios

yn

tes

e i

by

gR

isø

Me

ldu

gre

sis

ten

s i

byg

Ris

ø

Blo

ms

trin

g i

rajg

ræs

Ris

ø

Fru

ktan

met

ab

olis

me

i ra

jgræ

s, R

isø

,

Fru

ktan

met

ab

olis

me

i ra

jgræ

s, D

JF


Aminosyrer

•Fremstilling af microarrays fra den udviklende byg- og hvedekerne omfattende gener involveret i aminosyre-syntese og nedbrydning

• Undersøgelser af mutanter og gensplejset materiale, der viser en ændret aminosyre syntese

• Identifikation af gener involveret i regulering af aminosyresyresyntesen




Fo

sfa

tmet

ab

olis

me

i h

ve

de

DJ

F

Am

ino

sy

rem

eta

bo

lism

e i b

yg

, DJ

F

Fy

tin

sy

re b

ios

yn

tes

e i

by

gR

isø

Me

ldu

gre

sis

ten

s i

byg

Ris

ø

Blo

ms

trin

g i

rajg

ræs

Ris

ø

Fru

ktan

met

ab

olis

me

i ra

jgræ

s, R

isø

,

Fru

ktan

met

ab

olis

me

i ra

jgræ

s, D

JF


Meldugresistens

• Sekventering af gener udtrykt i melduginficerede celler

• Undersøgelser af genaktiviteter induceret af meldug infektion




Fo

sfa

tmet

ab

olis

me

i h

ve

de

DJ

F

Am

ino

sy

rem

eta

bo

lism

e i b

yg

, DJ

F

Fy

tin

sy

re b

ios

yn

tes

e i

by

gR

isø

Me

ldu

gre

sis

ten

s i

byg

Ris

ø

Blo

ms

trin

g i

rajg

ræs

Ris

ø

Fru

ktan

met

ab

olis

me

i ra

jgræ

s, R

isø

,

Fru

ktan

met

ab

olis

me

i ra

jgræ

s, D

JF


Blomstringsgener i rajgræs

• Storskalasekventering af gener udtrykt i blomsteranlæg

• Fremstilling af microarrays for analyse af genekspression under blomstring

• Identifikation og analyse af genvarianter, der påvirker blomstringen




Fo

sfa

tmet

ab

olis

me

i h

ve

de

DJ

F

Am

ino

sy

rem

eta

bo

lism

e i b

yg

, DJ

F

Fy

tin

sy

re b

ios

yn

tes

e i

by

gR

isø

Me

ldu

gre

sis

ten

s i

byg

Ris

ø

Blo

ms

trin

g i

rajg

ræs

Ris

ø

Fru

ktan

met

ab

olis

me

i ra

jgræ

s, R

isø

,

Fru

ktan

met

ab

olis

me

i ra

jgræ

s, D

JF


Sukkermetabolisme i rajgræs

• Storskalasekventering af gener involveret i syntesen af letomsættelige kulhydrater (fruktaner) i rajgræsblade

• Fremstilling af microarrays for analyse af genekspression i relation til ændret fruktan- og proteinmetabolisme

• Identifikation og analyse af genvarianter, der påvirker fruktan- og proteinmetabolismen

Documents

Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri