Et lite mirakel? Om planteforedling og teknologi

Poenget med planteforedling er å utvikle sorter som er bedre enn de gamle. Hva som er bra kommer an på hvem man spør. Framgang kan måles i form av økt avling, økt resistens mot sykdommer eller andre kvaliteter, som gjerne kan observeres eller måles. Samtidig er kvalitet komplisert og ikke alltid like lett å fange opp i enkeltparametere. På mange måter er planteforedling som en evolusjon, en gradvis forandring av plantene, og styrt mot de mål vi måtte ha og den kunnskapen/muligheten vi har for å kunne oppnå målene. Bak en ny sort ligger mange års arbeid, oftest flere tiår av nitidig arbeid for å få nye egenskaper inn i plantene og samtidig opprettholde de positive egenskapene som var i de gamle sortene. Et eksempel kan være resistens mot Fusarium i vårhvete. Dette er en sopp som gir redusert avling og samtidig produserer mykotoksiner, stoffer som igjen er helseskadelige for dyr og mennesker. En rekke saker må gjøres for å få fram resistente sorter. Dette kan i korte trekk deles i fire; 1) definering av foredlingsmål (her Fusarium-resistens), 2) Identifisering av genkilder for resistens, 3) Krysningsarbeid for å få ønska egenskap inn en ellers god sort, og 4) Seleksjon, testing og oppformering av planter som kombinerer resistens med sortens andre positive egenskaper.

Hvem bestemmer foredlingsmålene?

I undersøkelser, blant annet i Nederland, svarer bønder som driver økologisk at de gjerne også skulle ønske seg sorter med god sykdomsresistens, god rotutvikling, samt god konkurranseevne mot ugras (van Bueren m.fl. 1999, van Bueren & Struik 2004). Spørsmålet som naturlig følger blir: Samsvarer disse ønskemålene med gjeldende foredlingsmål hos de bedrifter som bedriver planteforedling?

I Norge gjøres det mye for å utvikle sorter med god sykdomsresistens. Hos oss er planteforedling og salg av sprøytemidler ikke koblet slik det er mange eksempel andre steder. Foredlingsbedriften har ingen egeninteresse av å selge sorter som må sprøytes mye, snarere tvert imot. Hos oss er planteforedling fortsatt en nasjonal interesse som skal bidra til å trygge matproduksjonen gjennom sorter som fungerer godt i vårt klima - under våre nordlige breddegrader, hvilket innebærer sorter som gir stabile avlinger under vekslende værforhold. For flerårige arter er vinterherdighet også svært viktig.

De nevnte mål sammenfaller brukbart med hva en bonde som driver økologisk landbruk skulle ønske seg. Likevel er det alltid viktig å være kritisk til hvem som bestemmer og at framtidens foredlingsmål tjener bonden og forbrukeren snarere enn økonomiske interesser til et fåtalls personer. Også bønder som driver økologisk landbruk bør inkluderes i prosessen med å sette framtidens foredlingsmål. Ofte kan sykdomsresistens ha høy prioritet i foredlingen. Generelt sett gjennomføres utprøvingen av sorter i felt som ikke sprøytes, dette nettopp for å få informasjon om motstandskraft mot sykdom. Hva skjer i forhold til å utvikle sorter som kan klare seg bra under lavere næringstilgang og som dekker bra mot ugras? Det må understrekes at næringsopptak og ugraskamp i økologisk landbruk er grunnleggende utfordringer som krever en rekke tiltak og hvor valg av sort er bare ett av flere tiltak. Forskning har vist at røtter har evne til å tilpasse seg til lave næringskonsentrasjoner, blant annet ved å gå dypere ned i jorda eller å ha et mer finfordelt rotsystem, alternativt ved å inngå i symbiose med bakterier og sopp i rotsonen.

I praksis har det likevel vist seg å være små sortsforskjeller i næringsopptak under vanlige vekstforhold (Løes 2003). Visse forskjeller er funnet mellom eldre og nyere sorter, hvor eldre sorter har et noe dypere rotsystem enn moderne sorter, som på den andre siden har et tettere rotsystem i øverste jordlag sammenlignet med gamle sorter, akkurat som de også har et kortere og mer kompakt strå og overjordisk vekst (Bertholdsson & Kolodinska Brantestam 2009). Rask etablering er en interessant egenskap, ikke minst med tanke på økologisk landbruk. En rask etablering gir ofte raskere næringsopptak og bedre dekking mot frøugras. Videre skulle sorter med et noe lengre strå være fordelaktig, dette for å hindre at eventuelt ugraset vokser opp i kornet men også for at kornet ved å kommer opp fra bakken gir mindre risiko for smitte av soppsykdommer.

Identifisering av genkilder og bruk av markører

Når målene er satt, er neste trinn å identifisere genkilder og få disse inn i sortsmaterialet det arbeides med. I det følgende blir det en gjennomgang av de mest vanlige teknikker innen planteforedling, men for i det hele tatt å kunne utvikle sorter trengs genetiske ressurser og genetisk variasjon. Slike ressurser og variasjon finnes i genbanker, offentlige eller private. Her langtidslagres plantemateriale nedfrosset i små mengder for bruk til forskning og foredling. I prinsipp har alle tilgang til slikt materiale fra offentlige genbanker, så sant motivet er forskning og foredling. Den felles nordiske genbanken for frø finnes i Alnarp i Sverige. Potet, frukt, bær og annet vegetativt formeringsmateriale lagres i feltgenbanker eller som saktevoksende småplanter i reagensrør (in vitro), alternativt som nedfrosne vekstpunkt i flytende nitrogen (cryo). Norsk genressurssenter på Ås koordinerer dette arbeidet her i landet.

For å ha nytte av genetiske ressurser er det viktig å vite hva slags egenskaper disse innehar, for eksempel i forhold til overvintring, sykdomsresistens, næringsinnhold eller andre egenskaper man ønsker å forbedre. Slik kunnskap genereres gjennom screeninger (i felt og veksthus). Genbankene har ofte begrensa ressurser til å gjennomføre omfattende screeninger og foredler inngår gjerne i samarbeidsprosjekt med offentlige institusjoner om å gjennomføre slikt arbeid.

For å lette screeningarbeidet, men også det videre foredlingsarbeidet, blir det gjerne utvikla genetiske markører. En genetisk markør er spesifikk, for eksempel resistens mot en sykdom i en planteart. En DNA-prøve av planta kan da (om markøren virker) si om genet eller genene som koder for en egenskap, for eksempel for resistens mot en sykdom, at dette finnes i planta eller ikke. Alternativet er å dyrke fram planta, smitte dem med sykdommen og avvente symptom på sykdomsutvikling. Med en markør kan svaret gis bare man har DNA av planten og dette kan ekstraheres, for eksempel fra en spirende plante en uke etter såing. Genetiske markører blir etter hvert brukt i alle kulturer og teknikken er lite kontroversiell.

Krysning, seleksjon og oppformering

Den første formelle planteforedlingen gikk ut på å velge ut de beste plantene (seleksjon) innenfor en populasjon (ofte landsortene). I en slik foredling ble det kun gjort utvalg blant de egenskapene som allerede fantes i en populasjon. Det ble ikke laget nye kombinasjoner. Variasjonen i utgangsmaterialet var tilkommet gjennom mutasjoner kombinert med naturlig eller menneskeskapt seleksjon over tid, eller innblanding gjennom frøbytte gjennom generasjoner. Målretta kombinasjonsforedling, hvor en sort/linje (linje A) kysses med en annen (linje B) ble vanlig tidlig på 1900-tallet og dominerer fortsatt planteforedlingen, selv om nye teknikker stadig utvikles.

Selve krysningsarbeidet kan være enkelt - men det kan også være svært komplisert. Et eksempel på mer komplisert krysningsarbeid er utviklingen av F1-hybrider. Innenfor økologisk landbruk snakkes det gjerne om åpenpollinerte sorter. Slike sorter pollineres fritt innenfor en populasjon og inneholder en variasjon av planter, dette i motsetning til hybridsorter som utvikles ved at to utvalgte foreldrelinjer, som på sin side har vært innavla i mange generasjoner, krysses. Foreldrelinjene er innbyrdes svært ulike linjer. Hybriden får en positiv krysningseffekt (heterosis) og utseendemessig blir F1-hybridene svært ensarta. For å raskere få fram egna foreldrelinjer kan det anvendes en teknikk som betegnes som Doble haploide eller mikrosporekultur. Dette er en laboratorieteknikk hvor umodne mikro-korn (pollenkorn) kultiveres og utvikles til haploide mikroplanter, som etter kromosomfordobling kan tjene som foreldrelinjer til hybrider eller på annen måte anvendes i foredlingen. Det finnes også teknikker kan gjøre det mulig å krysse arter som fra naturens side ikke er så lette å krysse. Til disse hører Ovarie- og embryokultur hvor frøanlegg på et tidlig stadium fjernes fra morplanten og overføres til et dyrkningsmedium (agar). Teknikken anvendes i forbindelse med å «redde» planter som ellers ikke ville klart seg etter krysninger mellom kulturvekster og nært beslekta ville arter (ville slektninger). Dyrkningsmedium kan også anvendes til in-vitro og meristemkultur. En detaljert gjennomgang og diskusjon av en del av teknikkene kommer senere i artikkelen.

Etter å ha gjort krysningen, må det til et arbeidskrevende seleksjonsarbeid for å finne de plantene som best kombinerer de gode egenskapene. Hvor denne seleksjonen finner sted kan være viktig. Dette fordi det er nettopp de få plantene som velges ut som danner grunnlaget for den nye sorten. Seleksjon, testing og oppformering gjøres i flere omganger før en siste oppformering med avsluttende testing og eventuell godkjenning finner sted. For at en sort skal bli godkjent i Norge må den gi minst like høy avling som andre godkjente sorter, eller de må inneha en eller flere kvaliteter som er bedre enn de gamle sortene, for eksempel et høyere proteininnhold i vårhvete, alternativt en proteinkvalitet (klasse 1 eller 2), eller god resistens mot viktige sykdommer. Godkjenning av nye sorter er underlagt rammene i et felles europeisk regelverk som i Norge forvaltes av Mattilsynet. 

Diskusjon av noen av teknikkene

Forskningsinstituttet for økologisk landbruk i Sveits har gjort et utredning av de ulike teknikkene som nå anvendes innen planteforedlingen, dette med tanke på hvor forenlige de er med økologiske prinsipp (FiBL 2015). Bakgrunnen for arbeidet er at økologisk landbruk er totalt avhengig av plantesorter utvikla innenfor en konvensjonell foredling. FiBL-rapporten er basert på et internasjonalt fokus og med et rammeverk for økologisk landbruk slik det er definert av den internasjonale organisasjonen for økologisk landbruk, IFOAM. En del av de teknikkene som nevnes i rapporten er ikke relevante for norsk foredling, men kan likevel være aktuelle da vi (kanskje) kan kjøpe importert frø som er foredla fram ved bruk av teknikkene.

Genetisk modifiserte organismer (GMO)

Genmodifisering som metode ble utviklet allerede på 1970-tallet og har således vært kjent en stund. Kritikken mot metoden har vært preget av modifiserte planter som tåler sprøytemidler snarere enn å utvikle planter som er resistente mot sykdommer (von Bothmer m.fl. 2014). Således kobles GMO gjerne med interessene til kjemiselskap snarere enn bønders eller forbrukeres interesser. Det finnes mange som hevder at GMO bør kunne utnyttes på en miljømessig og sosialt forsvarlig måte, for eksempel for å få fram potet som er resistent mot tørråte. Dette ville i så fall kunne redusere sprøytingen i konvensjonell potetdyrking og gi høyere avlinger innen økologisk dyrking. En variant av genmodifisering er Crispr-teknikken. Denne går ut på å fjerne gen snarere enn å ta inn gen i planten. Således kan teknikken, selv om den kan klassifiseres som genmodifisering, være mindre problematisk. Likevel er GMO i økologisk landbruk en ikke-debatt. I mange land, som i Norge, er GMO ikke tillatt i landbruket som helhet uten helt spesielle forhåndsregler og godkjenningsprosedyrer (EC 2007).

F1-hybrider

I arter hvor hunn- og hannblomster sitter på forskjellig sted (som i mais) fjernes de hannlige blomstene på den hunnlige linjen mekanisk (hannblomsten sitter i toppen). Andre arter kan ha manuell kastrering eller det blir introdusert cytoplasmatisk hannlig sterilitet (CMS). Sistnevnte teknikk kan gjøres på ulike måter, hvorav noen går ut på å overføre egenskaper fra f.eks. reddik til kål og fra solsikke til salat. Dette gjøres i laboratorium ved anvendelse av spesielle kjemisk stoffer eller under elektrisk påvirkning.

At F1-hybridene gir planter som er like kan være en stor fordel under høsting, sortering og salg. Slike sorter dominerer grønnsaksmarkedet og er også vanlig i rug, raps, mais og andre krysspollinerte jordbruksvekster. Metoden kan også anvendes til selvpollinerende arter som tomat, paprika og chili. For å avle frø trengs foreldrelinjene til hybridene, men disse eies og kontrolleres av foredlerbedriftene. F1-hybrider anvendes også i økologisk landbruk, men noen foretrekker helst å bruke åpenpollinerte sorter. Argumenter for F1-hybrider er ofte at de gir ensartede og produktive sorter med innebygd produktbeskyttelse for sortseier. Argumenter mot F1-hybrider kan være at gjentatt innavl i foreldrelinjene kan gi planter som ikke overlever under økologiske forhold. Videre at CMS-teknikken kan være tvilsom rent prinsipielt, særlig dersom cellefragmenter overføres mellom arter. Sist, men ikke minst, hybridene tvinger fram årlige kjøp av nye frø.

En konsekvens av å avvise alle F1-hybrider innen økologisk landbruk vil få særlige følger for grønnsaksproduksjonen, mens et forbud mot F1-hybrider fremskaffet ved CMS kun vil berøre noen få kulturer (kål, purre). For planteforedler vil en avvisning av F1-hybrider bety at det må etableres tidkrevende foredlingsprogrammer for å oppnå sorter med tilsvarende egenskaper. Samtidig må det finnes strengere regler for å beskytte foredlingsarbeidet.

Doble haploide eller mikrosporekultur

Dette er en laboratorieteknikk hvor umodne pollenkorn kultiveres og utvikles til haploide mikro-planter. Disse behandles så med et kromosomdoblende kjemisk middel (ofte colchicin). Teknikken blir brukt i en tidlig fase av foredling av enkelte sorter av bygg og kålrot, men er mest vanlig i en tidlig fase av utviklingen av foreldrelinjer til F1-hybridene hos mange typer grønnsaker.

Argumentet for mikrosporekultur er tids- og arbeidsbesparende metode. Argumentet mot kan være at dette er en teknikk med bruk av giftige substanser og at en generativ prosess gjøres om til en vegetativ.

En konsekvens av å avvise mikrosporekultur innen økologisk landbruk vil innebære at noen sorter av bygg, paprika, rosenkål og kålrot vil bli utelukket. Det er likevel ikke sikkert at sortenes forhistorie lar seg spore. For planteforedler må det tas i bruk mer tidkrevende metoder (som innavl i flere generasjoner).

Polyploidisering

En plantecelle har som regel to kopier av hvert kromosom (diploid). Polyploidisering går ut på å fremprovosere minst det dobbelte antall kromosomer i cellene. Til dette brukes bl.a. colchicin. Polyploidisering blir noen ganger brukt til utvikling av nye sorter av potet, kløver, gras og prydplanter.  

Argumenter for polyploidisering kan være at teknikken kan gi større og mer robuste planter enn de med normalt kromosomtall, som igjen kan gi større inntjening eller større prydverdi. Argumenter mot polyploidisering er at det anvendes giftig substans (colchicin).

Ovarie- og embryokultur

Dette er en laboratorieteknikk hvor frøanlegg på et tidlig stadium fjernes fra morplanten og overføres til et dyrkingsmedium (agar). Teknikken anvendes i forbindelse med å «redde» planter som ellers ikke ville klart seg etter krysninger mellom kulturvekster og nært beslekta arter (ville slektninger). Bruk av ville slektninger i foredlingen er ressurskrevende, men kan være nyttig for å få inn nye resistensgener. Teknikken kan anvendes i alle arter. Norsk planteforedling bruker i liten grad ville slektninger i sin foredling.

Argument for ovarie- og embryokultur er at teknikken utvider muligheten for naturlige krysningsbarrierer. Argument mot kan være at teknikken tvinger fram kimen under kunstige og sterile betingelser og ved anvendelse av kunstige plantehormoner.

En konsekvens av å avvise denne teknikken innen økologisk landbruk ville bety at de fleste moderne tomat- og mange paprika-, salat- og agurksorter ville måtte utelukkes. For planteforedler må det tas i bruk langt mer tidkrevende krysningsarbeid.  

Vevskultur (”in vitro” og meristemkultur)

Ved in vitro oppformering og bevaring blir deler av planten, for det meste en del av stengelen med sideknopp eller deler av et blad eller løkskjell kultivert i et vekstsubstrat. Dette er en agar tilsatt næringsstoff, plantehormoner og eventuelt plantevernmidler eller antibiotika. Når planten har slått røtter og er blitt tilstrekkelig stor, plantes den ut i veksthus eller på friland. Metoden anvendes blant annet for å hurtig skaffe nok basismateriale, blant annet for foreldrelinjer av F1-hybrider.

Ved meristemkultur blir deler av plantenes vekstpunkt isolert og kultivert på et vekstsubstrat. Dette er ofte den eneste måten å fremskaffe virusfritt plantemateriale av arter med vegetativ formering. Virus rekker ikke å følge med i den hurtige celledelingen i vekstpunktene, og metoden anvendes til oppformering av grunnstammer, bærplanter, blomsterløk, hvitløk og settepotet.

Argumenter for vevskultur er at dette er sikreste måte å oppnå virusfrie planter på (gjelder meristemkultur) og at dette er en hurtig og billig metode å oppformere store mengder planter. Argumenter mot vevskultur er anvendelse av syntetiske plantehormoner og at syntetiske og sterile vekstbetingelser kan medføre seleksjon tilpasset lab-forhold.

En konsekvens av å avvise disse teknikkene innen økologisk landbruk ville bety at noen typer grunnstammer til frukttre, utplantings-planter av bærplanter og potet- og grønnsak-sorter ville måtte utelukkes. Standardmetoder kan fungere bra mot virus dersom det kun benyttes de yngste plantedeler til oppformering.

Avsluttende kommentar

Det er nødvendig å kritisk vurdere de mål og de teknikker som anvendes innen planteforedling. Samtidig kan vanlig krysnings-, seleksjons- og oppformeringsarbeid være ganske uproblematisk og målet med foredlingen kan tjene alle dyrkere, uavhengig av driftsform. Det finnes mange gode eksempler, bla.: Vårhvetesorten «Mirakel» ble utviklet i Norge med tanke på økologisk landbruk. Sorten ble godkjent i 2012 og har blitt en av de mest populære vårhvete-sortene, også i konvensjonell dyrking. Den har et relativt langt strå, er sterk mot viktige sykdommer, gir brukbar avling og er klassifisert i beste proteinklasse (klasse 1). Sorten kan tjene som et eksempel på hvordan foredlingsmål relevante for bønder som driver økologisk også kan være nyttige for konvensjonelt landbruk.

Generelt sett er det få ressurser til planteforedling. En egen økologisk planteforedling vil kreve ressurser som kanskje ikke finnes. Kanskje må komplementerende strukturer og nettverk utvikles for å fange opp foredling for de mindre utbredte vekstslagene. Hvordan en slik planteforedling skulle se ut gjenstår å se. Deltakende foredling der bønder selv tar i arbeidet har vært gjort noen steder (Pearce 2016). Det er ikke uten videre en enkel sak. Identifisering av nyttige genetiske ressurser må til. Krysninger med tilhørende seleksjon er nødvendig, videre må oppformering og testing gjennomføres og finansieres. Hvordan dette best gjøres og løsninger for samarbeid er opp til oss å videreutvikle.

Referanser

Bertholdsson, N.O & A. Kolodinska Brantestam (2009). A century of Nordic barley breeding—Effects on early vigour root and shoot growth, straw length, harvest index and grain weight. European Journal of Agronomy 30: 266-274 https://doi.org/10.1016/j.eja.2008.12.003

EC (2007). EU/ECO-base directory Regulation No. 834/2007 of 28 June 2007 on organic production and labelling of organic products and repealing Regulation (EEC) No 2092/91. http://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=celex%3A32007R0834

FiBL (2015). Plant breeding techniques, an assessment for organic agriculture. FiBL Dossier no 2, 2015 (2nd edition), Frick, Switzerland. https://shop.fibl.org/chde/mwdownloads/download/link/id/155/

Løes, A.-K. (2003). Studies of the availability of soil phosphorus (P) and potassium (K) in organic farming systems, and of plant adaptations to low P- and K-availability.  DOCTOR SCIENTIARUM THESIS 2003:29. http://orgprints.org/7424/1/PhD_thesis_AnneKristin_Loes_2003.pdf

Pearce, B. (2016). Final Report: Coordinating Organic Breeding Activities for Diversity - COBRA. Organic Research Centre, Newbury. Internett: http://orgprints.org/31194/

van Bueren, L. M. Hulscher, J. Jongerden, G.T.P. Ruivenkamp, M. Haring, J.D. van Mansvelt & A.M.P den Nijs (1999). Sustainable organic plant breeding: Final report - a vision, choices, consequences and steps. Louis Bolk Instituut Publications, no. G24. Louis Bolk Instituut and Wageningen UR Plant Breeding.

van Bueren, L. P.C. Struik (2004). The consequences of the concept of naturalness for organic plant breeding and propagation. NJAS - Wageningen Journal of Life Sciences 52: 85-95. https://doi.org/10.1016/S1573-5214(04)80031-9

von Bothmer, R., T. Fagerström & S. Jansson (2014). Bortom GMO – vetenskap och växtförädling för ett hållbart jordbruk. Fri Tanke förlag, www.fritanke.se.