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
Ministry of Food, Agriculture and Fisheries
Danish Intitute of Agricultural Sciences
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%)
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri
Danmarks JordbrugsForskning
Den nye Grønne Revolution skal være
dobbelt grøn,
en Biorevolution
Der er behov for en ny Grøn Revolution
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri
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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri
Danmarks JordbrugsForskning
• 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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri
Danmarks JordbrugsForskning
• 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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og FiskeriDanmarks JordbrugsForskning
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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og FiskeriDanmarks JordbrugsForskning
Ris
• Den officielle og frit tilgængelige genomsekvens af ris forventes offentliggjort i slutningen af år 2002
• Der er identificeret 46.000 – 55.000 gener
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og FiskeriDanmarks JordbrugsForskning
Microarrays
• Etablering af de såkaldte microarrays muliggør, at mange tusinde geners udtrykkelse kan analyseres samtidigt
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og FiskeriDanmarks JordbrugsForskning
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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og FiskeriDanmarks JordbrugsForskning
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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og FiskeriDanmarks JordbrugsForskning
Genetik og DNA markører
• Plantegenetikken gennemgår en meget hurtig udvikling især grundet udviklingen af de såkaldte DNA markører
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og FiskeriDanmarks JordbrugsForskning
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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og FiskeriDanmarks JordbrugsForskning
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri
Danmarks JordbrugsForskning
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.
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri
Danmarks JordbrugsForskning
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og FiskeriDanmarks JordbrugsForskning
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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og FiskeriDanmarks JordbrugsForskning
• 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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og FiskeriDanmarks JordbrugsForskning
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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og FiskeriDanmarks JordbrugsForskning
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri
Danmarks JordbrugsForskning
”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.
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og FiskeriDanmarks JordbrugsForskning
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
Ministry of Food, Agriculture and Fisheries
Danish Intitute of Agricultural Sciences
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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og FiskeriDanmarks JordbrugsForskning
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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri
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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri
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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og FiskeriDanmarks JordbrugsForskning
• 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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og FiskeriDanmarks JordbrugsForskning
• 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
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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri
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
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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri
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
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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri
Meldugresistens
• Sekventering af gener udtrykt i melduginficerede celler
• Undersøgelser af genaktiviteter induceret af meldug infektion
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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri
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
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
Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri
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