Majs som klonar sig själv

En timme utanför Mexico City svänger taxin av huvudvägen och bullret och rörelsen på motorvägen försvinner. Förbi en stålport och ett vitt vakthus går vi in ​​på det välskötta området för International Centre for the Improvement of Maize and Wheat, känd under sin spanska förkortning, CIMMYT (uttalas SIM-it). Det är en gård som maskerar sig som ett litet FN. En rad flaggor hyllar länderna som finansierar organisationens arbete: att skapa bättre skördar för utvecklingsvärldens fattiga bönder.

Längre fram står en rad vita skyltar som var och en står framför en liten kvadratisk tomt där håriga vetehuvuden vajar i vinden. Det här är jordbrukets Walk of Fame; på dessa skyltar finns namnen på vetesorter som dök upp från CIMMYTs häckningsplatser för fyra decennier sedan: Sonora, Yaqui, Kauz, Sujata, Sonalika och andra. Dessa sorter, som motstår sjukdomar och ger oöverträffade skördar, erövrade Asien och ersatte traditionella vetesorter och äldre odlingsmetoder. Stjärnorna i den gröna revolutionen, de nya sorterna släppte lös en fenomenal ökning av spannmålsproduktionen som gjorde det möjligt för Kina och Indien att föda sig själva. De nya sädesslagens inverkan var faktiskt så stor att de gav Norman Borlaug, den ursprungliga chefen för CIMMYTs veteprogram, Nobels fredspris 1970.

Men vänta. Är inte detta tänkt att vara det internationella centret för förbättring av majs och vete? Majs, som större delen av världen kallar majs, är den näst mest odlade grödan efter ris; det är en anmärkningsvärt effektiv fabrik för att omvandla solljus, jord och vatten till mat för människor och djur. Inom de närmaste åren förväntas majs passera ris och ta över topplatsen. Så var är majsen? Varför saknas den på Walk of Fame?

Som alla som har kört över Mellanvästern kan intyga, finns det verkligen överlägsna sorter av majs. Men de robusta, högavkastande växterna som täcker landsbygden i Iowa är utom räckhåll för majoriteten av världens fattiga och självförsörjande bönder - just de människor som CIMMYT grundades för att hjälpa. Problemet är att om bönder vill plantera de där förstklassiga sorterna - i allmänhet högoktaniga hybrider som fröföretag skapar genom att korsa två distinkt olika inavlade linjer - måste de köpa nytt utsäde varje år. Fattiga bönder har helt enkelt inte råd att göra det.

Det årliga behovet av färskt frö är delvis en konsekvens av majsens biologiska tvång att para sig fritt och urskillningslöst. Vete, som ris, utövar det säkra könet av självsex. Varje blomma pollinerar sig själv och producerar dotterplantor som är nästan exakta kopior av sina föräldrar - det är åtminstone fallet med renrasiga vetesorter som de som släpps av CIMMYT. Som ett resultat kan bönder använda en del av varje års skörd för utsäde, och sorter kan enkelt delas från åker till åker, från en bonde till nästa.

Majs, å andra sidan, är den mest promiskuösa av växter. Dess tofsar - de manliga könsorganen - sprider miljontals pollenkorn i vinden, och slumpmässigt befruktar närliggande majsöron, de kvinnliga könsorganen. En växts avkomma kan därför variera enormt, beroende på vilket pollen som vandrade in i grannskapet. Så oavsett hur noggrant CIMMYTs uppfödare konstruerar förbättrade sorter av majs, bryts den genetiska identiteten av dessa linjer snabbt ner när de släpps ut i den genetiska smältdegeln på jordbrukarnas åkrar. De nya egenskaperna - högre avkastning, förmåga att motstå torka, motståndskraft mot sjukdomar - tenderar att försvinna och till och med försvinna.

Variabilitetsproblemet är ännu större med de hybridsorter som fröföretagen föredrar. För majs och till och med för självpollinerande växter är en hybrids avkomma ingenting som originalet.

Om bara majs kunde föröka sig genom att skippa pollineringen helt och hållet och klona sig själv. Tanken är inte så långsökt som man kan tro. Några få växter gör detta naturligt och skapar frön utan sex i en process som kallas apomixis. Maskrosor förökar sig genom apomixis; så gör omkring 400 andra växtarter, inklusive minst en vild släkting till majs. Så varför inte majs? Om någon kunde vända en strömbrytare och göra majs apomikisk, kanske CIMMYT äntligen kan göra mycket produktiva tåliga stammar som fattiga bönder kan dela med sina grannar och plantera om från sin egen skörd år efter år.

Richard Jefferson, grundare av Center for the Application of Molecular Biology to International Agriculture i Canberra, Australien, säger att implikationerna av apomixis går långt utöver majs. Potentialen hos självklonande växter, säger han, är så djupgående och omstörtande att växtförädlare, i allmänhet en försiktig och underskattad grupp, aldrig skulle erkänna att de drömde om det om du inte fick dem berusade först.

Förutom att ge hybrid och andra överlägsna sorter av majs inom räckhåll för även den fattigaste bonden, skulle apomixis möjliggöra en utbredd användning av högavkastande hybridris, växter vars frön för närvarande är dyra och svåra att producera i stora mängder. Och apomixis kan hjälpa till att eliminera sjukdomar från kassava, en afrikansk basgröda som odlas genom att återplantera bitar av knölar från föräldraväxter, av vilka några bär på sjukdomar.

Efter mer än ett decenniums arbete är forskare vid CIMMYT och en handfull andra laboratorier runt om i världen äntligen på väg mot apomixis. Med hjälp av ny genomisk information och verktyg justerar de generna som styr växternas reproduktion, i hopp om att duplicera självkloningsprocessen i majs och andra viktiga grödor. Om de lyckas – och de verkar övertygade om att de så småningom, kanske om ytterligare ett decennium, kommer att öppna dörren till en revolution i världens livsmedelsproduktion, säger Wayne Hanna, genetiker vid U.S.A. jordbruksdepartementet i Tifton, GA.

Det kan tyckas vara ett teknikmål som få kan argumentera mot. Ändå finns det osäkerhet om huruvida apomixis någonsin kommer att tillåtas på jordbrukarnas åkrar. Två motsatta krafter kan hitta sig själva osannolika allierade i ett försök att blockera det: politiskt motstånd mot genteknik och de ekonomiska övervägandena hos jordbruksföretag som är bland de främsta sponsorerna av apomixis-forskning.

Några killar var galna i apomixis i många år, säger Daniel Grimanelli, en ung forskare som redan är en grym veteran på området. Bosatt på en uteplats utanför CIMMYTs Applied Biotechnology Center tar Grimanelli en paus från vetenskapen mitt på morgonen. Att döma av hans tre dagar långa stubb, solglasögon, cigarett och trasiga jacka, kan Grimanelli lika troligt ha kommit ur en seriös böjare. Tack vare en gemensam utnämning till CIMMYT och Institut de Recherche pour le Dveloppement i Montpellier, Frankrike, transplanterades fransmannen till Mexiko för ett decennium sedan, men han talar engelska med vältalighet och kraft.

Under 1970-talet och början av 1980-talet, fortsätter Grimanelli, fanns det i huvudsak fyra killar: Yves Savidan i Frankrike, Wayne Hanna i Georgien, Victor Sokolov i Ryssland och Gian Nogler i Schweiz. Apomixis var på den tiden en botanisk kuriosa, inget mer. Hanna minns att hon stötte på den i form av några konstiga sorghumväxter i ett växthus i Texas; Sokolov, långt borta i den sibiriska staden Novosibirsk, ägnade sitt arbete åt gammagräs, en släkting till majs; och Savidan, som vid den tiden arbetade i Elfenbenskusten, fick ett urval av vilda västafrikanska gräs.

Alla dessa växter ägnar sig åt en udda form av reproduktion. Deras äggstockar producerar nya embryon på egen hand, som kloner av moderväxten. Men några av dessa växter ägnar sig också åt sex. Så de äldre statsmännen i apomixis studerade mönstren genom vilka denna speciella genetiska egenskap ärvs när apomiktiska växter parar sig med sina icke-apomitiska släktingar. Det slutade med att vi upptäckte att egenskapen betedde sig som en enda dominerande gen, säger Savidan, som nu leder de internationella partnerskapen för Agropolis, ett offentligt finansierat forskningskonsortium i Montpellier. Det var en häpnadsväckande slutsats, och Grimanelli säger att det ledde till en djärv idé: Om det är så enkelt, varför inte lägga det i grödor? Varför inte korsa majs med en apomiktisk släkting? Lätt!

Lätt, ekar Grimanellis kollega Olivier Leblanc hårt.

Grimanelli och Leblanc representerar en länk mellan den tidiga generationen av sådana apomixis-forskare som Savidan, som använde traditionell växtförädling, och en ny våg av forskare som använder molekylära markörer, genomdata och genteknik. Savidan flyttade sin apomixis-forskning till
CIMMYT i slutet av 1980-talet, och Leblanc och Grimanelli anslöt sig till honom några år senare. Det verkade vara den perfekta platsen. För det första innehöll CIMMYTs klimatkontrollerade valv fullt av fröprover en skattkammare av frön från gammagräs, en buskliknande växt som är majsens närmaste apomikiska släkting. Ännu viktigare, CIMMYT:s uppdrag att förbättra grödor för bönder i utvecklingsvärlden överensstämde perfekt med de potentiella fördelarna med apomixis.

Men ett decennium av traditionell växtförädling gav bara frustration. Forskarna försökte korsa gammagräs och majs. De producerade 300 000 hybridväxter, skapelser med konstiga kombinationer av egenskaper hos båda växterna. De försökte korsa dessa hybridväxter med vanlig majs, i hopp om att varje generation skulle föra dem närmare en apomiktisk version av majs. Oundvikligen, någonstans på den långa vägen mot majs, försvann apomixis.

Galen majs: CIMMYT korsad majs med gammagräs, genererar en mängd konstiga växter. Gamma gräs är i centrum ( se även översta bilden ).

Men precis när det gamla förhållningssättet höll på att dö, föddes ett nytt. 1999 tecknade CIMMYT ett avtal med ett franskt fröföretag, Limagrain; en division av den schweiziska läkemedelsjätten Novartis som sedan har blivit Syngenta; och världens största fröföretag, Pioneer Hi-Bred. Avtalet gav centret finansiering och tillgång till privata majsgenomdatabaser. De nya verktygen har blivit så kraftfulla, säger Grimanelli. Du kan klona gener, modifiera gener, uttrycka gener. Han och Leblanc inledde ett sökande efter apomixis-gener och sållade igenom de delar av DNA som fanns i den apomiktiska formen av gammagräs men inte i den sexuella versionen. De spårade dessa gener till ett stort block av DNA, ungefär en tredjedel av en kromosom, som alltid finns i den apomiktiska formen av gammagräs. För att hitta de specifika generna i detta enorma DNA-fält, kastar forskarna transposoner - små bitar av DNA som sätter in sig själva slumpmässigt i kromosomerna - mot det DNA-blocket. De hoppas att transposonerna kommer att infoga sig själva i gener som är viktiga för apomixis, vilket stör processen. När det inträffar borde forskarna kunna lokalisera transposonet och med det den avgörande genen - som de sedan kan infoga i majs. Men CIMMYT-forskarna är inte ensamma i sitt sökande efter de genetiska nycklarna till apomixis. En hord av andra forskare, några av dem sponsrade av små biotekniska startups, har anslutit sig till jakten. Konkurrerande projekt har vuxit fram i Tyskland, Schweiz, Australien, Storbritannien, Frankrike, Mexiko, Kalifornien, Texas och Utah. De flesta av nykomlingarna hoppas inte kunna överföra apomixis-gener från en art till en annan - från gammagräs till majs, till exempel. Istället mixar de med tidpunkten för växternas egna gener för att lura dem att reproducera sig utan befruktning. Forskarna arbetar ut detaljerna i denna syntetiska apomixis genom experiment med deras favoritlabråtta, en liten senapsväxt som kallas Arabidopsis thaliana . CIMMYT-forskarna, vars ansträngningar också kommer att förlita sig mycket på genomikdata från mer kända växter som t.ex. Arabidopsis , säger språnget från Arabidopsis att majs kommer sannolikt att vara svårare än många forskare förväntar sig. Men ändå, säger de, kommer det att hända. Den otroliga dynamiken hos så många som arbetar med det här, säger Grimanelli, kommer inte att förnekas.

Språnget från laboratorium till fält verkar dock vara lika skrämmande nuförtiden. En apomiktisk majsväxt kommer att vara en genetiskt modifierad organism, och i stora delar av världen är sådana organismer inte välkomna. Europeiska unionens myndigheter har inte godkänt plantering eller import av någon ny genetiskt modifierad gröda sedan 1998. Trots utbredd hunger avvisade Zambia nyligen amerikansk livsmedelsbistånd eftersom försändelserna innehöll genetiskt modifierad majs. Och under de senaste fyra åren har Mexiko inte tillåtit CIMMYT att testa genetiskt modifierad majs utanför ett växthus. Faktum är att om motståndare till genteknik får sin vilja igenom, kommer ingen genetiskt modifierad majs någonsin att växa i mexikansk jord.

Mexiko är majsens förfäders hemland, platsen där forntida folk först domesticerade denna gröda. Det är också världens unika lager av majs genetiska mångfald: mexikanska bönder har ett häpnadsväckande antal majssorter. Anpassad till en enorm mängd klimat, kommer Mexikos majs med kärnor i svart, vitt och alla färger däremellan.

Så när forskare rapporterade att de hittade spår av genetiskt modifierad majs i avlägsna majsfält i södra Mexiko för ett och ett halvt år sedan, var det särskilt oroande för dem som var oroliga över den genetiska mångfalden hos denna unika resurs. Faktum är att även om studiens resultat har ifrågasatts hårt av andra forskare, tror vissa miljövänner att den avslöjade en katastrof av epokala proportioner. Det mesoamerikanska centret för biologisk mångfald inom jordbruket är förorenat med GM [genetiskt modifierad] majs, meddelade ETC Group, en aktivistorganisation baserad i Winnipeg, Kanada. Greenpeace förklarade att denna oansvariga kontaminering äventyrar hela den genetiska strukturen hos majspopulationerna.

Bilden av konstruerade växter som förgiftar en biologisk brunn är kraftfull men missvisande, säger Mauricio Bellon, en humanekolog från CIMMYT som har studerat mexikanska bönders underhåll av sina traditionella sorter, eller lantraser: Folk tror att lantraser är som ömtåliga vaser i ett museum, men så är inte fallet. Landraser är inte rena och de är inte statiska, säger Bellon. Mexikanska bönder, upptäckte han, tar ständigt in nytt frö från grannar och till och med från avlägsna byar för att lägga till och, hoppas de, stärka sina åkrar. Det är lite som att blanda in kort från en ny kortlek för att öka oddsen för en vinnande hand. De bra korten - de överlägsna genetiska egenskaperna - har en chans att stanna kvar i spelet. Bönder försöker välja dem för omplantering nästa år, och de kasserar de dåliga korten.

Det finns ingen uppenbar anledning till varför genetiskt modifierade grödor skulle förskjuta eller förstöra Mexikos genetiska mångfald, säger Bellon. De nya generna skulle bli en del av mixen, och de skulle bestå bara om bönderna gillade resultaten. Men han skyndar sig att tillägga, genetiskt modifierad majs i Mexiko kan utgöra andra risker som kräver noggrant övervägande.

Faktum är att nästan alla som har utforskat det kraftiga motståndet mot genetiskt modifierade grödor - i Mexiko och på andra håll - har upptäckt en mängd motiv. Oron för naturens integritet och matens säkerhet blandas med fientlighet mot de företag som har drivit in denna teknik på marknaden. Mexiko införde ett moratorium för plantering av all genetiskt modifierad majs, till exempel inte när CIMMYT genomförde sina första fältförsök, utan när St. Louis-baserade Monsanto och andra företag började lobba för godkännande att sälja sina genetiskt modifierade grödor till mexikanska bönder.

Man möter antipati mot bioteknik, faktiskt även inom CIMMYT. CIMMYT:s knapriga växtförädlare avfärdar ibland sin organisations bioteknikprogram som en tönt, en dyr modefluga som har slösat bort miljontals dollar utan att hittills leverera en enda användbar produkt till bönder. Många ogillar affärerna – åtföljda av sekretessklausuler och avtal för att skydda immateriella rättigheter – CIMMYT:s bioteknologer har slagit till med företag. Centret bör endast vara ansvarigt inför världens fattigaste bönder, säger dessa kritiker, inte multinationella bioteknikimperier. Vid denna punkt - där CIMMYTs humanitära uppdrag möter målen för privat företagande - tar berättelsen om apomixis sin sista ironiska vändning. För enligt vissa observatörer är apomixis företagsvänner också dess värsta fiender.

Anledningen är enkel: fröföretag har ett ekonomiskt incitament att hålla självklonande majs borta från böndernas händer eftersom apomixis bryter en naturlig sorts kopieringsskydd. Fröföretag säljer mestadels hybrider inte bara för att de ger mer utan också för att skillnaderna mellan hybridmajs och dess avkomma är mer uttalade än i inavlade linjer. Dessa skillnader driver bönderna tillbaka till återförsäljaren varje år för färska leveranser av utsäde. Apomiktiska hybrider, å andra sidan, kunde reproducera sig själva exakt - och det skulle vara dåligt för affärerna.

Det är därför ingen överraskning att många observatörer tror att företagen som sponsrar CIMMYTs forskning vill använda apomixis främst som ett internt verktyg för att påskynda den komplicerade processen att föda upp hybrider och producera frö. Innan de sålde utsäde till bönder kunde företagen inaktivera förmågan att självklona. Tanken i fröbranschen är att apomixis skulle vara mer användbart om man kunde stänga av det, säger Anthony Cavalieri, vice vd för egenskaper och teknologiutveckling på Pioneer Hi-Bred. I slutändan kan CIMMYTs företagssponsorer se topnotch apomiktiska hybrider från CIMMYT som konkurrens. Om den vinstdrivande sektorn kontrollerar apomixis som ett verktyg, kommer den inte att vilja att den används av den offentliga sektorn för att göra självreplikerande hybrider, säger Gary Toenniessen, som leder Rockefeller Foundations program inom globalt jordbruk. Och vilket företag som helst som har patent på en viktig del av apomixis-teknologi skulle kunna blockera dess användning, åtminstone tills patentet löpte ut.

1998 hjälpte Jefferson från Australiens centrum för tillämpning av molekylärbiologi till internationellt jordbruk att övertala mer än 20 ledande apomixis-forskare från hela världen att deklarera sitt motstånd mot företagens kontroll av forskningen. Den så kallade Apomixis-deklarationen angav att vi är djupt oroade över att den nuvarande trenden mot konsolidering av ägande av växtbioteknik på ett fåtal händer allvarligt kan begränsa tillgången till prisvärd apomixis-teknik. Tyvärr, säger Jefferson, är forskare slampiga bortom ord. Många apomixis-forskare har sedan dess anslutit sig till privata företag.

CIMMYTs forskare insisterar på att det inte är några problem. De hävdar att deras företagssponsorer har gått med på att tillåta centret att distribuera apomiktisk majs till fattiga bönder i utvecklingsländer. Det är helt klart, säger Olivier Leblanc. För CIMMYT-kunder finns det fullständig frihet. Men även Yves Savidan, arkitekten bakom CIMMYTs apomixis-samarbete med industrin, har blivit skeptisk. Om du inte har kontroll över allt har du inte kontroll över någonting, säger han.

Redan innan de första apomiktiska självklonande majsfröna är redo att sås, väntar utsikten att politiska debatter och företagsintressen kommer att förgifta marken. Och det skulle vara en plåga inte bara på framtiden för fattiga bönder, utan också på ryktet för bioteknik inom jordbruket – ett område som redan har anklagats för att dess vetenskap inte har gjort tillräckligt för det mänskliga bästa.

Att producera biotekniska grödor som matar de fattiga och förbättrar livet för bönder i utvecklingsländerna skulle på ett övertygande sätt motbevisa sådana anklagelser. David Hoisington, chef för CIMMYT:s bioteknikprogram, tror att sådana grödor är på väg. CIMMYT:s första genetiskt modifierade majs, en icke-apomiktisk sort som stöter bort stamborrmasken, är redo för fälttester. Om ytterligare ett decennium eller så, kan tomter av apomiktisk majs markera ett nytt inträde i CIMMYT Walk of Fame. Tekniken är ett så kraftfullt verktyg för att lösa problem, säger Hoisington, att den måste accepteras.

Dölj