Waarom we genetisch gemodificeerd voedsel nodig hebben?

Tekenen van Phytophthora verschijnen plotseling maar voorspelbaar in Ierland zodra het zomerweer vochtig wordt, sporen van de schimmelachtige plantpathogeen over de open groene velden zweven en op de natte bladeren van de aardappelplanten landen. Dit jaar begon het begin augustus te regenen. Binnen enkele weken had Phytophthora een klein perceel aardappelen aangevallen in de hoek van het keurige raster van testaanplantingen op het hoofdkantoor van Teagasc, het Ierse landbouwagentschap, in Carlow.

Het is nu meer dan een maand nadat de aardappelplanten voor het eerst zijn geslagen en nog een paar weken voordat de oogst zal worden geoogst. Een groot landhuis, waarin de operaties van Teagasc zijn ondergebracht, kijkt uit over de veldproeven en goedgeklede Ierse en EU-bureaucraten haasten zich in en uit. Een groot deel van het uitgestrekte gebouw werd gebouwd in de jaren 1800, tijdens de ergste hongersnood die werd veroorzaakt toen bacterievuur de Ierse aardappeloogst verwoestte. Dergelijke hongersnoden zijn ver in het verleden, maar de plantenziekte blijft een kostbare kwelling voor de boeren in het land, waardoor ze hun gewassen vaak moeten overgieten met fungiciden. Als onderdeel van een EU-breed project genaamd Amiga om de impact van genetisch gemodificeerde (GM) planten te bestuderen, test Teagasc-onderzoeker Ewen Mullins aardappelen die zijn ontwikkeld om bacterievuur te weerstaan. (Bekijk een video van Mullins en GM-aardappelen in Ierland onderaan deze pagina of hier.)

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2014

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Het is winderig en hoewel de zomer voorbij is, is het nog steeds warm en vochtig. Perfect weer voor bacterievuur, zegt Mullins. Hij buigt zich over de conventioneel gekweekte planten en trekt de verwelkte stengels en bladeren stevig terug om te laten zien dat de knollen, half bloot in de grond, zijn getekend met zwarte vlekken. Dan plukt hij een groen blad van een van de genetisch gemanipuleerde planten, die zijn gemodificeerd met een bacteriewerend gen van een wilde aardappel die in Zuid-Amerika groeit. De afweer van de aardappelplant heeft de sporen afgeweerd, waardoor ze onschadelijk zijn geworden. De plant, zegt Mullins eenvoudig, heeft goed gepresteerd.

Het is het tweede jaar van wat volgens de planning driejarige veldproeven zullen zijn. Maar zelfs als de resultaten van volgend jaar even bemoedigend zijn, is Teagasc niet van plan om boeren toegang te geven tot de plant, die is ontwikkeld door onderzoekers van Wageningen Universiteit in Nederland. Dergelijke genetisch gemanipuleerde gewassen blijven controversieel in Europa en slechts twee zijn goedgekeurd voor aanplant in de EU. Hoewel Mullins en zijn collega's graag willen weten hoe bacterievuur de genetisch gemodificeerde aardappelen beïnvloedt en of de planten bodemmicroben zullen aantasten, is het distribueren van de gemodificeerde plant in Ierland, althans voorlopig, een non-starter.

Desalniettemin geven de velden van Carlow een prikkelend beeld van hoe genetisch gemodificeerde gewassen de wereldvoedselvoorziening kunnen helpen beschermen. Phytophthora-resistente aardappelen zouden een van de eerste belangrijke voedingsmiddelen zijn die genetisch gemanipuleerd zijn om bescherming te bieden tegen plantenziekten, die jaarlijks ongeveer 15 procent van de landbouwoogst in de wereld vernietigen. Ondanks het zware gebruik van fungiciden, verwoesten Phytophthora en andere plantenziekten naar schatting een vijfde van de wereldaardappelen, een voedsel dat steeds meer in China en India wordt verbouwd. Stamroest, een schimmelziekte bij tarwe, heeft zich door een groot deel van Afrika en het Arabische schiereiland verspreid en bedreigt nu de uitgestrekte teeltgebieden van Centraal- en Zuid-Azië, die zo'n 20 procent van de tarwe in de wereld produceren. Bananen, die in landen als Oeganda een primaire voedselbron zijn, worden vaak vernietigd door verwelkingsziekte. In al deze gevallen heeft genetische manipulatie het potentieel om variëteiten te creëren die veel beter bestand zijn tegen de aanval.

GGO-aardappelen kunnen ook leiden tot een nieuwe generatie biotech-voedingsmiddelen die rechtstreeks aan consumenten worden verkocht. Hoewel transgene maïs, sojabonen en katoen - meestal ontworpen om insecten en herbiciden te weerstaan ​​- sinds het einde van de jaren negentig op grote schaal zijn aangeplant in de Verenigde Staten en in een paar andere grote landbouwlanden, waaronder Brazilië en Canada, gaan de maïs- en sojaboongewassen voornamelijk in diervoeder, biobrandstoffen en bakoliën. Er worden geen genetisch gemodificeerde variëteiten van rijst, tarwe of aardappelen op grote schaal verbouwd, omdat oppositie tegen dergelijke voedingsmiddelen investeringen in de ontwikkeling ervan heeft ontmoedigd en omdat zaadbedrijven geen manieren hebben gevonden om het soort geld aan die gewassen te verdienen dat ze doen met genetisch gemodificeerde maïs en sojabonen.

Droogte, schadelijke stormen en zeer warme dagen eisen nu al hun tol van de oogst.

Nu de wereldbevolking naar verwachting in 2050 meer dan negen miljard mensen zal bereiken, zou de wereld binnenkort honger kunnen hebben naar dergelijke variëteiten. Hoewel de landbouwproductiviteit de afgelopen 50 jaar dramatisch is verbeterd, vrezen economen dat deze verbeteringen beginnen af ​​te nemen in een tijd waarin de vraag naar voedsel, gedreven door het grotere aantal mensen en de groeiende eetlust van rijkere bevolkingsgroepen, naar verwachting tussen 70 en 70 jaar zal stijgen. 100 procent tegen het midden van de eeuw. Vooral de snelle stijgingen van de rijst- en tarweopbrengsten die de wereld decennialang hebben gevoed, vertonen tekenen van vertraging, en de graanproductie zal tegen 2050 meer dan verdubbeld moeten zijn om gelijke tred te houden. Als de trend zich voortzet, kan de productie onvoldoende zijn om aan de vraag te voldoen, tenzij we aanzienlijk meer land, kunstmest en water gaan gebruiken.

Klimaatverandering zal het probleem waarschijnlijk veel erger maken, met hogere temperaturen en, in veel regio's, nattere omstandigheden die plagen van ziekten en insecten naar nieuwe gebieden verspreiden. Droogte, schadelijke stormen en zeer hete dagen eisen nu al hun tol van de oogstopbrengsten en de frequentie van deze gebeurtenissen zal naar verwachting sterk toenemen naarmate het klimaat warmer wordt. Voor boeren zijn de effecten van klimaatverandering eenvoudig te zeggen: het weer is veel onvoorspelbaarder geworden en extreem weer is veel gebruikelijker geworden.

De centrale hooglanden van Mexico, bijvoorbeeld, beleefden in 2011 en 2012 hun droogste en natste jaren ooit, zegt Matthew Reynolds, een tarwefysioloog bij het International Maize and Wheat Improvement Centre in El Batán. Die variatie is zorgelijk en erg slecht voor de landbouw, zegt hij. Het is een enorme uitdaging om ervoor te fokken. Als je een relatief stabiel klimaat hebt, kun je gewassen veredelen met genetische kenmerken die een bepaald profiel van temperaturen en regenval volgen. Zodra je in een staat van verandering komt, is het veel moeilijker om te weten op welke eigenschappen je je moet richten.

Een voordeel van het gebruik van genetische manipulatie om gewassen te helpen zich aan deze plotselinge veranderingen aan te passen, is dat er snel nieuwe variëteiten kunnen worden gecreëerd. Het creëren van een aardappelras door middel van bijvoorbeeld conventionele veredeling duurt minimaal 15 jaar; het produceren van een genetisch gemodificeerde duurt minder dan zes maanden. Genetische modificatie stelt plantenveredelaars ook in staat om preciezere veranderingen aan te brengen en te putten uit een veel grotere verscheidenheid aan genen, verkregen uit de wilde verwanten van de planten of uit verschillende soorten organismen. Plantenwetenschappers letten erop dat er geen magisch gen in een gewas kan worden ingebracht om het droogtetolerant te maken of de opbrengst te verhogen - zelfs resistentie tegen een ziekte vereist doorgaans meerdere genetische veranderingen. Maar velen van hen zeggen dat genetische manipulatie een veelzijdige en essentiële techniek is.

Het is buitengewoon logisch om te doen, zegt Jonathan Jones, een wetenschapper aan het Sainsbury Laboratory in het Verenigd Koninkrijk en een van 's werelds toonaangevende experts op het gebied van plantenziekten. De komende druk op de landbouwproductie, zegt hij, is reëel en zal miljoenen mensen in arme landen treffen. Hij voegt eraan toe dat het pervers zou zijn om het gebruik van genetische modificatie als hulpmiddel af te wijzen.

Het is een mening die breed wordt gedeeld door degenen die verantwoordelijk zijn voor de ontwikkeling van de gewasvariëteiten van morgen. Op het huidige niveau van de landbouwproductie is er genoeg voedsel om de wereld te voeden, zegt Eduardo Blumwald, een plantwetenschapper aan de University of California, Davis. Maar wanneer de bevolking de negen miljard bereikt? hij zegt. Echt niet.

Mislukte beloften

De belofte dat genetisch gemodificeerde gewassen de wereld zouden kunnen voeden, is minstens zo oud als de commercialisering van de eerste transgene zaden halverwege de jaren negentig. De bedrijven die hielpen om genetisch gemanipuleerde gewassen om te zetten in een miljardenbusiness, waaronder de grote chemische bedrijven Monsanto, Bayer en DuPont, promootten de technologie als onderdeel van een life science-revolutie die de voedselproductie enorm zou verhogen. Tot nu toe bleek het, om een ​​aantal redenen, een wat loze belofte te zijn geweest.

Natuurlijk zijn biotechnologische gewassen in sommige landen een enorm commercieel succes. Het idee is eenvoudig maar overtuigend: door een vreemd gen afkomstig van bijvoorbeeld bacteriën in maïs in te voegen, kun je de plant een eigenschap geven die hij anders niet zou hebben. Onderzoeken schatten dat er wereldwijd meer dan 170 miljoen hectare van dergelijke transgene gewassen worden verbouwd. In de Verenigde Staten zijn de meeste maïs, sojabonen en katoen geplant met een gen uit de bodembacterie Bacillus thuringensis —Bt—om insecten af ​​te weren of met een ander bacterieel gen om herbiciden te weerstaan. Wereldwijd is 81 procent van de sojabonen en 35 procent van de verbouwde maïs biotechvariëteiten. In India werd Bt-katoen meer dan tien jaar geleden goedgekeurd en vertegenwoordigt het nu 96 procent van de katoen die in het land wordt verbouwd.

Toch is het niet duidelijk of die hausse in transgene gewassen heeft geleid tot een hogere voedselproductie of lagere prijzen voor consumenten. Neem bijvoorbeeld maïs. In de Verenigde Staten is 76 procent van het gewas genetisch gemodificeerd om insecten te weerstaan, en 85 procent kan tolereren dat het wordt bespoten met een onkruidverdelger. Dergelijke maïs is aantoonbaar een zegen geweest voor boeren, waardoor het gebruik van pesticiden is verminderd en de opbrengsten zijn gestegen. Maar weinig van de Amerikaanse maïsproductie wordt direct gebruikt voor menselijke voeding; ongeveer 4 procent gaat naar fructose-glucosestroop en 1,8 procent naar granen en ander voedsel. Genetisch gemodificeerde maïs en sojabonen zijn zo winstgevend dat Amerikaanse boeren ze zijn gaan vervangen door tarwe: in 2012 werd ongeveer 56 miljoen hectare tarwe geplant, tegen 62 miljoen in 2000. Toen het aanbod daalde, steeg de prijs van een schepel tarwe tot bijna $ 8 in 2012, van $ 2,50 in 2000.

Tot dusverre omvat de korte lijst van transgene gewassen die direct voor voedsel worden gebruikt, virusresistente papaja die in Hawaï wordt gekweekt, Bt-suikermaïs die onlangs door Monsanto in de Verenigde Staten is gecommercialiseerd, en een paar soorten pompoen die bestand zijn tegen plantenvirussen. Die lijst zou echter op het punt staan ​​​​te groeien. Het Indonesische landbouwagentschap verwacht binnenkort een aardappelziekte-resistente aardappel goed te keuren, en JR Simplot, een landbouwleverancier gevestigd in Boise, Idaho, hoopt zijn eigen versie tegen 2017 op de markt te brengen. kocht in 2009 een tarwezaadbedrijf en probeert het nu opnieuw. En Cornell-onderzoekers werken samen met medewerkers in India, Bangladesh en de Filippijnen, landen waar aubergine een hoofdbestanddeel is, om een ​​insectenresistente vorm van de groente beschikbaar te maken voor boeren.

Slechts een handvol grote bedrijven kan het risico en de kosten van het commercialiseren van GGO's betalen.

Deze biotechnologische versies van enkele van 's werelds belangrijkste voedselgewassen zouden kunnen helpen de eerste hoop op genetisch gemodificeerde organismen of GGO's te vervullen. Maar ze zullen vrijwel zeker ook het debat over de technologie verhitten. Tegenstanders vrezen dat het inbrengen van vreemde genen in gewassen voedsel gevaarlijk of allergeen kan maken, hoewel meer dan 15 jaar ervaring met transgene gewassen geen gezondheidsrisico's heeft aangetoond, en evenmin een reeks wetenschappelijke studies. Het is geloofwaardiger dat tegenstanders suggereren dat de technologie een truc is van gigantische bedrijven, met name Monsanto, om meer herbiciden te verkopen, de landbouwtoeleveringsketen te domineren en boeren afhankelijk te maken van dure transgene zaden. De meest overtuigende kritiek zou echter kunnen zijn dat bestaande transgene gewassen weinig hebben gedaan om de toekomst van de wereldvoedselvoorziening te garanderen in het licht van klimaatverandering en een groeiende bevolking.

De eerste generatie insectenresistente en herbicidetolerante gewassen biedt weinig nieuwe eigenschappen, zoals droogtetolerantie en ziekteresistentie, die de planten kunnen helpen zich aan te passen aan veranderingen in weers- en ziektepatronen, erkent Margaret Smith, hoogleraar plantenveredeling en genetica aan de Cornell-universiteit. Desalniettemin zegt ze dat er geen geldige reden is om de technologie af te wijzen, aangezien plantwetenschappers racen om de gewasproductiviteit te verhogen. Wetenschappers staan ​​voor een enorme kweekuitdaging, zegt Smith. We hebben een tweede generatie transgene gewassen nodig. Het zou een vergissing zijn om deze tool uit te sluiten, omdat de eerste producten de grote problemen niet oplosten.

Het zal niet eenvoudig zijn om gewassen te ontwikkelen die beter bestand zijn tegen klimaatverandering. Plantwetenschappers zullen complexe eigenschappen moeten ontwikkelen waarbij meerdere genen betrokken zijn. Duurzame ziekteresistentie vereist doorgaans een reeks genetische veranderingen en gedetailleerde kennis van hoe ziekteverwekkers de plant aanvallen. Eigenschappen zoals tolerantie voor droogte en hitte zijn nog moeilijker, omdat ze fundamentele veranderingen in de fysiologie van de plant kunnen vereisen.

Kan genetische manipulatie de taak aan? Niemand weet. Maar recente genomische doorbraken zijn bemoedigend. Wetenschappers hebben de genomen van gewassen zoals rijst, aardappelen, bananen en tarwe in kaart gebracht. Tegelijkertijd betekent vooruitgang in de moleculaire biologie dat genen met veel grotere precisie kunnen worden verwijderd, gewijzigd en ingevoegd. Met name nieuwe genoom-engineeringtools, bekend als Talens en Crispr, stellen genetici in staat om planten-DNA te bewerken en chromosomen precies te veranderen waar ze willen.

Exacte bewerkingen

De werkplaats naast de rijen kassen aan de rand van Cornells campus in Ithaca, New York, ruikt muf en vochtig van de kratten aardappelen. Het is minder dan anderhalve kilometer van de moleculaire biologielaboratoria van de universiteit, maar wat je ziet zijn houten transportbanden, draadschermen en waterslangen. Walter De Jong sorteert en sorteert geoogste aardappelen als onderdeel van een meerjarige inspanning om tot een nog beter ras te komen voor de telers in de regio. Dozen zijn gevuld met aardappelen - sommige klein en rond, andere groot en misvormd. Op de vraag welke eigenschappen belangrijk zijn voor consumenten, glimlacht hij sluw en zegt: Looks, looks, looks.

De vraag hoe hij denkt over de inspanningen om transgene aardappelen te ontwikkelen, is niet zo gemakkelijk te beantwoorden. Het is niet zo dat De Jong tegen genetische manipulatie is. Als aardappelveredelaar is hij goed thuis in conventionele methoden om nieuwe eigenschappen te introduceren, maar hij is ook gepromoveerd in plantenpathologie en heeft veel onderzoek gedaan in de moleculaire biologie; hij kent de mogelijkheden die geavanceerde genetica biedt. In het noordoosten van de Verenigde Staten wordt een aardappelras geoptimaliseerd voor een straal van ongeveer 500 mijl, waarbij rekening wordt gehouden met de lengte van het groeiseizoen en het soort weer in het gebied. Door klimaatverandering verschuiven deze teeltzones, waardoor het kweken van gewassen lijkt op het oplossen van een puzzel waarbij de stukjes bewegen. De snelheid die genetische modificatie biedt, zou helpen. Maar, zegt De Jong minachtend, ik verwacht niet dat ik [transgene] technologie zal gebruiken. Ik kan het niet betalen.

De teelt van ggo-aardappelen bij Teagasc begint met een ggo-plantje gekweekt in een weefselkweek (1); het wordt overgebracht naar een kas (2) en uiteindelijk naar veldproeven (3). De geoogste knollen zien er gezond en bacterievrij uit (4).

Het is een merkwaardige situatie, zegt hij. Wetenschappers van openbare en academische onderzoeksinstellingen hebben veel werk verzet om genen te identificeren en te begrijpen hoe deze eigenschappen in planten kunnen beïnvloeden. Maar de langdurige test- en regelgevingsprocessen voor genetisch gemodificeerde gewassen, en het gevaar dat consumenten ze zullen afwijzen, betekenen dat slechts een handvol grote bedrijven de kosten en het risico van de ontwikkeling ervan kunnen betalen, zegt hij.

Maar De Jong wordt plotseling geanimeerd als hem wordt gevraagd naar de nieuwste genome engineering-tools. Hier heb ik mijn hele carrière op gewacht, zegt hij terwijl hij zijn handen in de lucht gooit. Zolang ik aardappelwetenschapper ben, heb ik twee dingen gewild: een gesequenced aardappelgenoom en de mogelijkheid om het genoom naar believen aan te passen. Over de campus heeft De Jong ook een moleculair biologielab, waar hij de DNA-sequentie heeft geïdentificeerd die verantwoordelijk is voor rood pigment in aardappelknollen. Binnenkort zou het mogelijk kunnen zijn om die volgorde precies te veranderen in een aardappelcel die vervolgens kan worden gekweekt tot een plant: als ik een witte aardappel had, wilde ik rood worden, ik zou gewoon een of twee nucleotiden kunnen bewerken en de kleur krijgen die ik wil . Bij plantenveredeling is het niet de kunst om genen heen en weer te schuiven, legt De Jong uit. In principe hebben alle aardappelen dezelfde genen; wat ze hebben zijn verschillende versies van de genen - allelen. En allelen verschillen van elkaar in een paar nucleotiden. Als ik de paar nucleotiden kan bewerken, waarom zou ik dan fokken op [een eigenschap]? Het is lange tijd de heilige graal in de plantengenetica geweest.

Een probleem met conventionele genetische manipulatietechnieken is dat ze op onvoorspelbare wijze genen toevoegen. Het gewenste gen wordt in de beoogde cel in een petrischaaltje ingebracht met behulp van een plantenbacterie of een genenkanon dat fysiek een klein deeltje afschiet dat bedekt is met het DNA. Zodra de moleculen in de cel zijn, wordt het nieuwe gen willekeurig in het chromosoom ingevoegd. (De getransformeerde cel wordt in een weefselkweek gekweekt om een ​​plantje en uiteindelijk een plant te worden.) Het is onmogelijk om te bepalen waar het gen precies wordt toegevoegd; soms komt het terecht op een plek waar het effectief kan worden uitgedrukt, en soms niet. Wat als je precies zou kunnen focussen op plekken op het chromosoom van de plant en nieuwe genen zou kunnen toevoegen precies waar je ze wilt hebben, bestaande genen zou uitschakelen of genen zou kunnen aanpassen door een paar specifieke nucleotiden te verwisselen? Met de nieuwe tools kunnen wetenschappers precies dat doen.

Talens, een van de meest veelbelovende van deze genome engineering-tools, werd geïnspireerd door een mechanisme dat wordt gebruikt door een bacterie die planten infecteert. Plantenpathologen identificeerden de eiwitten die de bacterie in staat stellen om het doelplant-DNA te lokaliseren en vonden manieren om deze eiwitten te manipuleren om elke gewenste sequentie te herkennen; vervolgens fuseerden ze deze eiwitten met nucleasen die DNA knippen, waardoor een nauwkeurig bewerkingshulpmiddel ontstond. Een plantenbacterie of genenkanon wordt gebruikt om het gereedschap in de plantencel te krijgen; eenmaal binnen, richten de eiwitten zich op een specifieke DNA-sequentie. De eiwitten brengen de nucleasen naar een exacte plek op het chromosoom, waar ze het DNA van de plant klieven. Door reparatie van het gebroken chromosoom kunnen nieuwe genen worden ingebracht of kunnen andere soorten wijzigingen worden aangebracht. Crispr, een nog nieuwere versie van de technologie, gebruikt RNA om in te zoomen op de beoogde genen. Met zowel Talens als Crispr kunnen moleculair biologen zelfs een paar nucleotiden wijzigen of een gen invoegen en verwijderen precies waar ze willen op het chromosoom, waardoor de verandering veel voorspelbaarder en effectiever wordt.

Een implicatie van de nieuwe tools is dat planten genetisch gemodificeerd kunnen worden zonder toevoeging van vreemde genen. Hoewel het te vroeg is om te zeggen of dit het publieke debat over ggo's zal veranderen, geven regelgevende instanties - althans in de Verenigde Staten - aan dat gewassen die zijn gemodificeerd zonder vreemde genen niet zo grondig hoeven te worden onderzocht als transgene gewassen. Dat zou de tijd en kosten die nodig zijn om nieuwe variëteiten van genetisch gemanipuleerde voedingsmiddelen op de markt te brengen aanzienlijk kunnen verminderen. En het is mogelijk dat critici van biotechnologie een soortgelijk onderscheid maken door genetisch gemodificeerde gewassen te tolereren zolang ze niet transgeen zijn.

Dan Voytas, directeur van het genome engineering center aan de Universiteit van Minnesota en een van de uitvinders van Talens, zegt dat een van zijn belangrijkste drijfveren de noodzaak is om tegen het midden van de eeuw nog eens twee miljard mensen te voeden. In een van zijn meest ambitieuze inspanningen, gecentreerd in het International Rice Research Institute in Los Baños, de Filippijnen, werkt hij samen met een wereldwijd netwerk van onderzoekers om de fysiologie van rijst te herschrijven. Rijst en tarwe hebben, net als andere granen, wat botanici C3-fotosynthese noemen, in plaats van de meer complexe C4-versie die maïs en suikerriet hebben. De C4-versie van fotosynthese gebruikt water en koolstofdioxide veel efficiënter. Als het project slaagt, kunnen zowel de rijst- als de tarweopbrengsten worden verhoogd in regio's die als gevolg van klimaatverandering heter en droger worden.

Het herschrijven van de kernwerking van een fabriek is geen triviale taak. Maar Voytas zegt dat Talens een waardevol hulpmiddel kan zijn, zowel om de genetische paden te identificeren die kunnen worden aangepast als om de vele noodzakelijke genetische veranderingen aan te brengen.

De druk om de groeiende bevolking te helpen voeden in een tijd waarin klimaatverandering meer land marginaal maakt voor de landbouw, is de last die plantenbiologen dragen, zegt Voytas. Maar hij is optimistisch. Gedurende een groot deel van de afgelopen 50 jaar, zo wijst hij erop, heeft de gewasproductiviteit herhaaldelijk winst gemaakt, eerst toe te schrijven aan het gebruik van hybride zaden, vervolgens aan de nieuwe plantenrassen die zijn geïntroduceerd tijdens de zogenaamde Groene Revolutie, en zelfs aan de eerste genetisch gemodificeerde planten . De introductie van de nieuwe genome engineering-tools, zegt hij, zal een ander buigpunt zijn.

Als hij gelijk heeft, is het misschien net op tijd.

Hittegolf

Voor agronomen, plantenveredelaars en boeren draait het allemaal om opbrengst: de hoeveelheid die een gewas op een hectare produceert. De opmerkelijke stijging van de oogstopbrengsten vanaf het midden van de 20e eeuw is de belangrijkste reden dat we genoeg voedsel hebben om van het voeden van drie miljard mensen in 1960 naar zeven miljard mensen in 2011 te gaan, met slechts een kleine toename van de hoeveelheid land die wordt bewerkt . Misschien wel het meest bekend is de Groene Revolutie, aangevoerd door de in Iowa geboren plantenpatholoog en geneticus Norman Borlaug, waardoor de opbrengsten van tarwe, maïs en rijst in veel delen van de wereld aanzienlijk zijn toegenomen. Het deed dit onder meer door productievere gewasvariëteiten te introduceren, te beginnen in Mexico en vervolgens in Pakistan, India en andere landen. Maar in ieder geval het afgelopen decennium lijken de stijgingen van de opbrengsten van tarwe en rijst te zijn vertraagd. De opbrengsten van tarwe groeien bijvoorbeeld met ongeveer 1 procent per jaar; ze moeten jaarlijks met bijna 2 procent stijgen om op de lange termijn aan de vraag naar voedsel te kunnen voldoen. Landbouwdeskundigen waarschuwen dat de opbrengsten voor andere gewassen ook moeten verbeteren als we een snelgroeiende bevolking willen voeden - en toch zullen stijgende temperaturen en andere effecten van de wereldwijde klimaatverandering dit moeilijker maken.

David Lobell, een professor in milieu-aardsysteemwetenschap aan de Stanford University, heeft een kalme houding die zijn sombere boodschap over hoe de opwarming van de aarde nu al gevolgen heeft voor gewassen, logenstraft. Over de effecten van klimaatverandering op de landbouw is veel discussie geweest, maar onlangs hebben Lobell en zijn medewerkers de prognoses verduidelijkt door historische gegevens over het weer en de landbouwproductie te doorzoeken. Ze ontdekten dat van 1980 tot 2008 de klimaatverandering de oogsten van tarwe en maïs onder druk zette; de opbrengsten stegen in die tijd nog steeds, maar de totale productie was 2 tot 3 procent minder dan zonder de opwarming van de aarde het geval zou zijn geweest. Dit geldt voor de meeste regio's waar maïs en tarwe worden verbouwd.

De bevinding is verrassend omdat het suggereert dat de opwarming van de aarde al een aanzienlijke impact heeft gehad op de voedselproductie en een nog groter verschil zal maken naarmate de klimaatverandering intensiveert. Alles waardoor de opbrengst [groei] afvlakt, is een punt van zorg, zegt Lobell. En hoewel de totale opbrengst van tarwe en maïs nog steeds toeneemt, zegt hij, wordt klimaatverandering een punt van zorg lang voordat er negatieve opbrengsttrends zijn.

Nog verontrustender is dat Lobell en zijn medewerker Wolfram Schlenker, een econoom aan de Columbia University, aanwijzingen hebben gevonden dat in het geval van een aantal belangrijke gewassen het negatieve effect van de opwarming van de aarde sterker samenhangt met het aantal extreem warme dagen dan met de stijging bij gemiddelde temperaturen gedurende een seizoen. Als dat waar is, zou eerder onderzoek de impact van klimaatverandering ernstig hebben onderschat door alleen naar gemiddelde temperaturen te kijken.

De berekeningen van Schlenker laten een gestage toename zien van de opbrengst van maïs en sojabonen naarmate de temperatuur stijgt van 10 °C tot in de jaren twintig, maar bij ongeveer 29 °C voor maïs en 30 °C voor sojabonen worden de gewassen zwaar getroffen en dalen de opbrengsten dramatisch. In daaropvolgend werk toonde Lobell aan dat warme dagen veel meer schade aanrichtten aan tarwe in Noord-India dan eerder werd gedacht.

De landbouwopbrengsten zullen moeten verbeteren als we een snelgroeiende bevolking willen voeden.

Een verrassend en verontrustend detail van het onderzoek, zegt Schlenker, is dat gewassen en boeren zich niet lijken te hebben aangepast aan de toenemende frequentie van warme dagen. Wat me het meest verbaasde en ons in de toekomst zou moeten informeren, zegt hij, is dat er enorme vooruitgang is geboekt in de landbouwveredeling - de gemiddelde opbrengst is sinds de jaren vijftig meer dan verdrievoudigd - maar als je kijkt naar de gevoeligheid voor extreme hitte, lijkt het net zo erg zijn als in de jaren vijftig. We hebben gewassen nodig die beter bestand zijn tegen warme klimaten. Tijdens de hittegolf die in 2012 een groot deel van de Verenigde Staten trof, zegt hij, daalde de maïsopbrengst met 20 procent, en 2012 is niet zo'n ongewoon jaar in vergelijking met wat de klimaatmodellen voorspellen dat het binnenkort een nieuw normaal zal worden.

Het is mogelijk dat planten eenvoudig bedraad zijn om uit te schakelen bij temperaturen boven 30 °C. Schlenker zegt inderdaad dat hij er niet van overtuigd is dat gewassen kunnen worden aangepast aan de toegenomen frequentie van warme dagen, hoewel hij hoopt dat hij ongelijk heeft. Evenzo wil Lobell dat zijn werk beter definieert welke aspecten van klimaatverandering gewassen beschadigen en zo helpen om de benodigde genetische veranderingen aan te pakken. Maar net als Schlenker weet hij niet zeker of genetica veel van een antwoord kan bieden.

In Central Valley in Californië, een van 's werelds meest productieve landbouwgebieden, erkent Blumwald van UC Davis dat wetenschappers nooit hebben gefokt voor stress zoals droogte en hitte. Maar daar wil hij verandering in brengen. Door een combinatie van genen voor tolerantie voor hitte, droogte en een hoog zoutgehalte van de bodem in rijst en andere planten in te voegen, creëert Blumwald gewassen die op zijn minst enige voordelen hebben tijdens extreme weersomstandigheden, vooral tijdens belangrijke momenten in hun groeicyclus.

De uitdaging is om te voorkomen dat de opbrengsten onder goede groeiomstandigheden verminderen. Dus Blumwald heeft een eiwit geïdentificeerd dat de ingevoegde genen alleen onder ongunstige omstandigheden activeert. Er is geen remedie voor droogte. Als er geen water is, sterft de plant. Ik ben geen goochelaar, zegt hij. We willen de stressreactie gewoon zo lang mogelijk uitstellen om de opbrengst te behouden totdat het water komt.

Dagelijks brood

Een veld net ten noorden van Londen op het terrein van Rothamsted Research, dat zichzelf beschouwt als 's werelds langstlopende landbouwonderzoeksstation (opgericht in 1843), is een van de brandpunten van Europa's voortdurende strijd om genetisch gemodificeerd voedsel. De controverse hier gaat over een tarweveld van 80 bij 80 meter, waarvan een deel genetisch is gemodificeerd om een ​​hormoon te produceren dat bladluizen, een veelvoorkomende insectenplaag, afstoot. In 2012 klom een ​​demonstrant op een laag hek en verspreidde conventionele tarwezaden onder de genetisch gemodificeerde planten in een poging de proef te saboteren. De wetenschappers van Rothamsted lieten de zaden opzuigen, huurden verschillende extra bewakers in en bouwden een tweede hek, dit drie meter hoog en bekroond met een gebogen overhang om te voorkomen dat het werd geschaald. Later marcheerden een paar honderd demonstranten arm in arm naar de rand van het omheinde veld voordat ze door de politie werden tegengehouden.

De ophef bij Rothamsted is slechts één hint dat de volgende grote ggo-controverse over transgene tarwe zou kunnen gaan. Tarwe is tenslotte het meest aangeplante gewas ter wereld, goed voor 21 procent van de wereldwijd verbruikte calorieën. Inmenging met een graan dat het dagelijkse brood vormt voor talloze miljoenen over de hele wereld zou bijzonder beledigend zijn voor veel tegenstanders van genetisch gemodificeerd voedsel. Bovendien is tarwe een basisgraan dat op de wereldmarkt wordt verkocht, dus goedkeuring van genetisch gemodificeerde tarwe in een toonaangevend exportland zou waarschijnlijk gevolgen hebben voor de voedselmarkten overal.

Tarwe is ook een symbool van de strijd waarmee de landbouw wordt geconfronteerd, omdat deze probeert de groeiende bevolking en een veranderend klimaat bij te houden. Niet alleen begint de winst in opbrengst te vertragen, maar tarwe is bijzonder gevoelig voor stijgende temperaturen en wordt verbouwd in veel regio's, zoals Australië, die gevoelig zijn voor ernstige droogte. Bovendien is tarwe kwetsbaar voor een van 's werelds meest gevreesde plantenziekten: stengelroest, die een bedreiging vormt voor het vruchtbare deel van Pakistan en Noord-India, bekend als de Indo-Gangetische vlakte. Conventionele veredelingstechnieken hebben opmerkelijke vooruitgang geboekt tegen deze problemen, waardoor rassen zijn ontstaan ​​die steeds meer droogtetolerant en ziekteresistent zijn. Maar biotechnologie biedt voordelen die niet mogen worden genegeerd.

Klimaatverandering verandert [de uitdaging voor plantenveredelaars] niet, maar het maakt het veel urgenter, zegt Walter Falcon, adjunct-directeur van het Center on Food Security and the Environment in Stanford. Falcon was een van de voetvolk van de Groene Revolutie en werkte in de tarwegebieden van Pakistan en in de Yaqui-vallei in Mexico. Maar hij zegt dat de opmerkelijke productiviteitsstijgingen die tussen 1970 en 1995 zijn bereikt grotendeels zijn uitgekomen, en hij maakt zich zorgen of de technologie-intensieve landbouw in die regio's kan worden volgehouden. Hij zegt dat de Yaqui-vallei zeer productief blijft - recente opbrengsten van zeven ton tarwe per hectare verbazen je - maar het zware gebruik van meststoffen en water verlegt de grenzen van de huidige praktijken. Evenzo zegt Falcon dat hij zich zorgen maakt over de gevolgen van klimaatverandering voor de landbouw in de Indo-Gangetische vlakte, waar bijna een miljard mensen wonen.

Op de vraag of transgene technologie een van deze problemen zal oplossen, antwoordt hij: ik houd mijn adem niet in en noem zowel wetenschappelijke redenen als verzet tegen genetisch gemodificeerde gewassen. Maar hij verwacht de komende tien jaar wel vooruitgang in genetische technologieën om tarwevariëteiten te creëren die beter zijn toegerust om plagen, hogere temperaturen en droogte te weerstaan.

Het is heel goed mogelijk dat de eerste en meest dramatische vooruitgang zich zal voordoen bij het aanpassen van gewassen aan de veranderende ziektepatronen. En zoals Ewen Mullins van Teagasc het zegt: als je plantenziekten wilt bestuderen, kom je naar Ierland.

Honderd kilometer van de idyllische velden in Carlow ontwikkelt Fiona Doohan, plantenpatholoog aan het University College Dublin, tarwevariëteiten die bestand zijn tegen lokale ziekten en probeert ze te begrijpen hoe plantpathogenen kunnen evolueren met klimaatverandering. Op het agrarische proefstation van de school gebruikt ze kweekkamers waarin de concentratie kooldioxide kan worden aangepast om de hogere niveaus na te bootsen die in 2050 worden verwacht. De experimenten hebben een onaangename verrassing opgeleverd. Wanneer tarwe en de ziekteverwekkers die het vaak aantasten in de kamer met de verhoogde niveaus van kooldioxide worden geplaatst, blijft de plant resistent tegen de schimmel. Maar als beide gedurende meerdere generaties onder 2050-omstandigheden afzonderlijk worden gekweekt en vervolgens bij elkaar worden geplaatst, zegt Doohan, crashen de planten. Dit suggereert, onheilspellend, dat plantpathogenen veel beter en sneller kunnen zijn dan tarwe in het aanpassen aan verhoogde koolstofdioxide.

Naast het gebouw is een appelboomgaard met vertegenwoordigers van bomen die in heel Ierland groeien, waaronder erfstukvariëteiten die al eeuwenlang worden geplant. Doohan kijkt ze liefdevol aan terwijl ze langs loopt, de grond bedekt met gevallen appels. Aan het uiteinde van de boomgaard staat een rij kassen, waaronder een kleine waarin genetisch gemodificeerde planten worden getest. Binnenin zit een bijzonder veelbelovende transgene tarwe die resistent blijkt te zijn tegen de soorten schurftziekte die in Ierland veel voorkomen. Het nieuwe gen verhoogt ook de graanproductie van de plant, zegt Doohan, die het ras samen met haar collega's creëerde. Ze is duidelijk blij met de resultaten. Maar, voegt ze er snel aan toe, er zijn geen plannen om de genetisch gemodificeerde tarwe in het veld in Ierland of ergens anders in Europa te testen. Voorlopig is de veelbelovende tarwesoort gedoemd om in de kas te blijven.

zich verstoppen