Förståelse av växternas signalsystem ger oss tåligare grödor

Skördarna inom jordbruket måste fördubblas till år 2050 om maten ska räcka till. Vi blir allt fler människor på jorden, samtidigt som klimatförändringarna ritar om kartan över var det går att odla. Tåligare och mer effektiva grödor behövs för att möta behovet av till exempel majs, ris, vete och sojabönor. Så hur ska det gå till?

En del av lösningen finns i ett fuktigt, upplyst växthus på taket av KBC-huset på Umeå universitet. Här hittar vi Åsa Strand, en målmedveten professor i molekylärbiologi. I nära 25 år har hon utforskat hur växternas cellkärnor kommunicerar med cellens energifabriker: mitokondrierna och kloroplasterna. Hon har också försökt ta reda på hur signalsystemet påverkas när växten utsätts för stress, som kyla, värme eller torka.

– Aktiviteten i mitokondrierna och kloroplasterna är väldigt känslig för stress; den avstannar. Jag är intresserad av hur man får i gång aktiviteten igen utan att förlora så mycket produktivitet i växten, säger Åsa Strand.

Slår ut gener slumpmässigt

Hon och hennes forskarkollegor har jobbat mycket med genetisk screening – en metod där de tillsätter en reportergen i växten, till exempel luciferas från eldflugor, för att ta reda på vilka signaler som styr vad. Genom att slumpmässigt slå ut generna i tusentals unika individer kan forskarna se när regleringen i en viss linje inte fungerar som den ska, det vill säga växten inte lyser. Det är som att bygga ett gigantiskt pussel, bit för bit.

– Jag har alltid varit intresserad av växtförädling och gillat utmaningar. Jag är väldigt självständig och ganska tävlingsinriktad, så jag vill gärna driva egna projekt. Först hade jag tänkt läsa till hortonom men det kändes alldeles för smalt. Istället bestämde jag mig för att läsa molekylärbiologi. Jag valde Umeå för att det var det universitet som hade närmast koppling till forskningsaktivitet, säger Åsa Strand.

Om jag skulle välja något ställe att bedriva växtforskning på i Sverige så var Umeå självklart och så är det fortfarande

I början av 2000-talet gjorde hon sin post-doc på Salk Institute i San Diego. Där och då hade man nyligen byggt upp experimentella metoder för att studera hur organellerna kommunicerar med cellkärnan. Under sin post-doc identifierade Åsa Strand den första signalen som organellerna använder sig av för att kommunicera med cellkärnan. Samtidigt hade Umeå universitet och Sveriges lantbruksuniversitet precis börjat bygga upp Umeå Plant Science Centre, UPSC.

­– Det ville jag absolut vara del av. Om jag skulle välja något ställe att bedriva växtforskning på i Sverige så var Umeå självklart och så är det fortfarande. Det är det absolut starkaste sätet för experimentell växtbiologi i Sverige och ett av de starkaste i Europa och världen.

Skräddarsydda grödor kan mätta befolkningen

Åsa Strands forskning rör sig mest inom grundläggande biologi och ger viktig kunskap om hur celler fungerar, inte bara hos växter utan även hos djur och människor. På senare tid har hon även startat flera projekt som adresserar en av vår tids största samhällsutmaningar: matförsörjningen.

Ett sätt att föda mänskligheten i framtiden är att skräddarsy grödor med hjälp av genmodifiering. Men GMO-debatten har varit het och i Europa finns stränga regler för genetiskt modifierade växter. Det odlas inga i Sverige förutom i forskningssyfte. I växthuset på Umeå universitet används skyddskläder och slussar för att inte riskera spridning.

Kartan för jordbruket som vi ser den idag kommer att förändras extremt mycket

– ­Jag tror det har varit ett misstag att blockera den här tekniken under så lång tid. Det har varit förödande för jordbruket. Särskilt nu med klimatförändringarna så kommer faktiskt Norden att vara ett bra ställe för jordbruk och det behöver vi förbereda oss på, att ha varianter som fungerar här i vårt klimat. För i Spanien och södra Frankrike kommer det vara alldeles för varmt och torka kommer att vara ett enormt problem. Så kartan för jordbruket som vi ser den idag kommer att förändras extremt mycket, säger Åsa Strand.

Gensaxen plockar bort bromsklossar

Men det kan finnas en ljusning, menar hon. Inom EU diskuteras just nu en lättnad av regleringen av användning av gensaxen CRISPR-cas9. Jämfört med annan genmodifiering kräver CRISPR-cas9 mer kunskap och förarbete, men det finns en stor potential.

Ett av Åsa Strands forskningsprojekt, som finansieras av Stiftelsen för strategisk forskning, går ut på att effektivisera fotosyntesen genom att plocka bort ”bromsklossar” inuti växtcellerna med hjälp av gensaxtekniken. Det skulle göra växterna mer produktiva under optimala växtförhållanden. I projektet studerar hon cyanobakterier, en enkel encellig organism som har samma funktion som kloroplasten i en växtcell men som genom evolutionen inte utvecklat en lika omfattande reglering av fotosyntesen under tuffa förhållanden. Målet är att ta specifik kunskap från cyanobakterien och överföra denna till växterna för att på så sätt återerövra fotosyntesen (”reclaim the photosynthesis” är det engelska namnet på projektet).

– Då kan vi ta all den här kunskapen som vi har samlat på oss under 20 år och använda till växtförädling. Vi kan titta på vad i signalsystemet som egentligen behövs och om det är något man kan plocka bort. Det är väldigt häftig ingenjörskonst, säger Åsa Strand.

Prioriterat forskningsområde

En av nycklarna till Umeå universitets framgång inom växtbiologi är samarbetet mellan olika forskargrupper. På Umeå Plant Science Centre arbetar forskare från Institutionen för fysiologisk botanik vid Umeå universitet och Institutionen för skoglig genetik och växtfysiologi vid Sveriges lantbruksuniversitet sida vid sida. De delar lunchrum, labbmiljöer och avancerad teknisk utrustning.

Ett av Umeå universitets tre prioriterade forskningsområden är växtforskning.

– Vi har ett samarbete med den samhällsvetenskapliga fakulteten där vi tittar på jordbruk och näringslära och vi är intresserade av fler samarbeten. Genom de prioriterade forskningsområdena har vi äntligen lyckats få ett forum för det. Det är ännu i sin linda men jag tror det kan bli riktigt bra, säger Åsa Strand.