'Poljoprivreda Nove Generacije'

Međunarodna godina zdravlja bilja 2020.

Nobelova nagrada za kemiju za 2020. dodijeljena je Emmanuelle Charpentier i Jennifer A. Doudna za „razvoj metode za uređivanje genoma“. Tijekom proteklih 10 godina ova se metoda uspješno uvodi u razna područja znanosti i postupno osvaja svijet kao prilika za rješavanje nerješivih problema. 

Genetička revolucija – metoda uređivanja genoma CRISPR/Cas9 precizna je intervencija na razini DNK koja je sposobna promijeniti kod života u samo nekoliko tjedana. Genetičke škare, kako se ova tehnologija naziva, u budućnosti će imati ogroman utjecaj na znanosti o životu, potpuno transformirajući metode liječenja u medicini opasnih i nasljednih bolesti.

Ali ne samo u medicini; i u poljoprivredi ova metoda otkriva nove istraživačke horizonte koji će potpuno promijeniti naš odnos prema životinjama i poljoprivrednim usjevima. 

Više nije utopija, svijet u kojem će biljke namijenjene prehrani stanovništva moći izdržati ekstremne klimatske promjene i biti otporne na sve agresivnije štetnike. 

Hoće li poljoprivredna znanost uspjeti stvoriti odgovornije i sigurnije doba za potrošače, sa zdravim i pristupačnim prehrambenim lancem koji će djelovati s manje resursa i poštedjeti okoliš?

Poljoprivreda nove generacije

Prema podacima Organizacije za hranu i poljoprivredu (FAO), gotovo 40% biljnih usjeva koji služe kao osnovna hrana za stanovništvo uništi se godišnje od raznih biljnih bolesti i štetnika. To se posebno odnosi na siromašne regije gdje je poljoprivreda glavni izvor života ljudi; nedostatak kvalitetne i pristupačne hrane dovodi do teških ekonomskih i društvenih posljedica. Dodatni čimbenik koji pridonosi ugrozi globalnih zaliha hrane je globalizacija trgovine, koja dovodi do nekontroliranog širenja invazivnih vrsta. 

Pogoršano stanje zdravlja bilja, uzrokovano klimatskim promjenama, ljudskim aktivnostima i nepravilnom upotrebom pesticida, također je ključni čimbenik ne samo za porast opasnih bolesti i štetnika koji pogađaju uzgajane biljke, već i za smanjenje bioraznolikosti. Stoga posljednjih godina javni i privatni sektor ulažu sve više u inicijative za integrirano upravljanje štetnicima, znanstvena istraživanja i inovativne tehnologije koje se prije svega ne usredotočuju na posljedice, već na uzroke i mogućnosti njihove prevencije. 

Biljna genetika pruža sve bogatiji raspon mogućnosti za prevenciju u području poljoprivrede. Cilj genetske modifikacije je dobivanje linija poljoprivrednih biljaka s prednostima u odnosu na klasične: poboljšane prehrambene kvalitete (na primjer, obogaćivanje riže karotenom – prekursorom vitamina A); otpornost na štetnike i bolesti; tolerancija na herbicide; povećana tolerancija na sušu ili slana tla.

Prevencija kroz manipulaciju genomom – CRISPR/Cas9

Neočekivano, odgovor na sve ove probleme u modernoj poljoprivrednoj znanosti leži u naizgled sićušnim molekulama DNK, čiji se potencijal pokazuje neograničenim. Već 1953. godine postavljeni su temelji moderne biotehnologije primjenom u laboratorijskim uvjetima restrikcijskih enzima, koji režu genetski materijal. Od tada su uvedene brojne različite metode za manipulaciju genomom. Revolucionarni korak u genetici je uvođenje alata koji omogućuje brzo i precizno uređivanje genoma. CRISPR/Cas („CRISPR“) posuđen je iz procesa koji se odvijaju u bakterijskim stanicama. To je mehanizam koji omogućuje bakterijama da se zaštite od virusnih napada, a sastoji se od dva dijela – jedinstvenog otiska virusa (kodiranog u CRISPR-u) i enzima (Cas) koji ima sposobnost rezati oba lanca DNK. Kada ih napadne poznati virus, bakterije koriste ovaj otisak da usmjere Cas na njegov genetski materijal. Jednom prerezan, on se inaktivira i virusni napad je spriječen. Rezultirajuća promjena može izbrisati ili zamijeniti specifične segmente DNK, čime se pojačavaju ili deaktiviraju određene osobine.

Uz prednosti ove metode u područjima poput farmacije, genske terapije i liječenja bolesti poput HIV-a, malarije, raka, dijabetesa itd., CRISPR tehnologija se sve uspješnije uvodi i u poljoprivredu. 

Precizno uređivanje genoma od ogromnog je interesa za poljoprivredni sektor, jer svatko zna koliko je vremena i truda potrebno za stvaranje novih otpornih sorti. Već postoje brojni usjevi s poboljšanim agronomskim performansama – riža, pšenica, naranče, rajčice i drugi koji su otporni na patogene; kukuruz koji podnosi sušu; rajčice s povećanim prinosom. Osim koristi za poljoprivrednike, postoje koristi i za okoliš, jer se za dobivanje proizvodnje koristi manje resursa, a upotreba pesticida je smanjena. Krajnji potrošač također ima koristi, budući da se aktivno radi na poboljšanju nutritivne vrijednosti i kvalitete proizvoda. Na primjer, potpuno je moguće kontrolirati postotak glutena u pšenici i postići rezultate od – 85% nižeg sadržaja glutena. A u Aziji se sve više provode istraživanja za stvaranje riže s povećanim sadržajem amilaze, koja razgrađuje složene ugljikohidrate i pretvara ih u monosaharide poput glukoze. Amilaza je enzim prisutan u ljudskoj slini i igra aktivnu ulogu u pravilnom metabolizmu glukoze u tijelu.

Jabuke otporne na vatrenu plamenjaču

Jedno od najnovijih istraživanja o CRISPR/Cas metodi korištenjem Agrobacterium tumefaciens objavljeno je u Journal of Plant Biotechnology 2019. godine. Bakterija Erwinia amylovora, koja uzrokuje bolest vatrenu plamenjaču u jabuci, inducira infekciju u plodu putem efektora DspA/E, koji stupa u interakciju s proteinom osjetljivosti jabuke MdDIPM4. Znanstvenici koriste CRISPR/Cas9 za stvaranje defektnog proteina MdDIPM4, koji se uvodi u jabuku (sorte Gala i Golden Delicious) putem Agrobacterium tumefaciens. U ovom slučaju, od posebnog je interesa interakcija između klasičnog oplemenjivanja korištenjem bakterije A. tumefaciens i revolucionarnih metoda u stvaranju novih sorti. Bakterija Agrobacterium tumefaciens ima sposobnost prijenosa DNK u biljne stanice. Njezina je funkcija u cjelokupnom procesu zaraziti veliki broj biljnih vrsta i inducirati stvaranje biljnih

tumora u kojima se razvija. Tumore zapravo uzrokuje plazmid bakterije nazvan Ti (od engleskog tumor-inducing). Nakon što je biljka zaražena, Ti plazmid se prenosi iz bakterijske stanice u biljnu stanicu, integrira se u njezin genom i uzrokuje njezinu malignu transformaciju. Ti plazmid nije kancerogen

za životinje i ljude, a na temelju njega se stvaraju vektori za kloniranje i ekspresiju stranih gena u biljnim stanicama. Kombinacijom dviju metoda oplemenjivanja u jabuci, dobiveno je ukupno

57 transgenih linija s 75% učinkovitosti uređivanja. Sedam uređenih linija s gubitkom funkcije proteina MdDIPM4 izloženo je vatrenoj plamenjači, a rezultati su pokazali značajno smanjenje osjetljivosti na bolest u usporedbi s kontrolom. Rezultati istraživanja pokazuju razvoj i primjenu CRISPR-Cas9 za stvaranje genetski uređenih jabuka s minimalnim tragom egzogene DNK.

Pšenica – kraljica genetske modifikacije

Na drugom kraju svijeta, suša nije problem za poljoprivredne usjeve, i godinama se razvijaju sorte otporne na duge periode bez kapi kiše. Međutim, dugotrajne kiše u Japanu često potpuno unište žetvu poljoprivrednika.

Tamošnji istraživači rade na novoj sorti pšenice prikladnoj za regije s većim oborinama. Uz pomoć CRISPR-Cas9 sustava, razvijaju pšenicu koja u kasnijoj fazi dovodi do proizvodnje kvalitetnijeg brašna. Za svoj eksperiment, japanski istraživači koriste sortu iz aridnih zona koja je osjetljiva na vlagu. U slučaju obilnih i dugotrajnih oborina prije žetve, sjemenke često klijaju u klasovima, što posljedično dovodi do nekvalitetnog brašna za prehrambenu industriju. Primjenom CRISPR-Cas9 putem Agrobacterium-a, tim stvara linije pšenice s nefunkcionalnim genom Qsd1, koji regulira mirovanje ili klijanje sjemena. Nakon osam transformacija, jedan od pokušaja pokazao se uspješnim. Nova sorta je ukrštena s divljim tipom pšenice kako bi se dobio mutant bez transgena. Dobivene biljke su zalijevane tjedan dana i samo 20-30 posto ih je proklijalo, dok je gotovo sve obično sjeme pšenice izloženo istim uvjetima proklijalo. U ovom slučaju, uređivanje genoma i stvaranje nove sorte pšenice otporne na kišu znanstvenicima je trebalo samo oko godinu dana. Za usporedbu, s konvencionalnim tehnikama oplemenjivanja sličan razvoj bi trajao otprilike 10 godina. U klasičnoj genetici, znanstvenici koriste metodu bombardiranja česticama (genski top), u kojoj se mikroskopske čestice, npr. zlato, oblažu DNK. Zatim, pod visokim pritiskom, čestice obložene DNK moraju se unijeti u biljku primateljicu. Željeni rezultati se čekaju godinama i nisu uvijek tako precizni i predvidivi kao kod kombinacije CRISPR-Cas9 i Agrobacterium. Naravno, ne reagira svaka sorta pšenice na infekciju bakterijom Agrobacterium. 

Ovaj problem je ispravljen od strane tima stručnjaka iz Shandong Academy of Agricultural Sciences, Kina, koji su uspješno ciljali gene pšenice, odlučivši se za CRISPR-Cas9 isporučen putem Agrobacterium – genetsku transformaciju. Tako su uspjeli poboljšati kvalitativne karakteristike pšenice korištenjem bakterija za preciznije umetanje kompleksa za uređivanje genoma CRISPR-Cas9.

Rajčice – pravo genetsko čudo

Međunarodni tim znanstvenika iz Brazila, SAD-a i Njemačke stvorio je prije otprilike godinu dana rajčicu korištenjem uređivanja genoma CRISPR-Cas9. Nova sorta rajčice, koja ima povećan sadržaj likopena, razvijena je iz divlje biljke i to unutar samo jedne generacije. 

Istraživači su koristili kao roditeljsku vrstu Solanum pimpinellifolium – divlju rajčicu iz Južne Amerike i pretka moderne uzgojene rajčice, čiji su plodovi veličine graška i prinos minimalan, ali su vrlo aromatični i njihov sadržaj likopena je imp