Hvorfor vi har brug for genetisk modificerede fødevarer

Tegn på senbrand opstår pludseligt men forudsigeligt i Irland, så snart sommervejret bliver fugtigt, sporer af det svampelignende plantepatogen svæver hen over de åbne grønne marker og lander på kartoffelplanternes våde blade. I år begyndte det at regne i begyndelsen af ​​august. Inden for adskillige uger havde sen sygdom angrebet et lille stykke kartofler i hjørnet af det pæne gitter af testplantninger i hovedkvarteret for Teagasc, det irske landbrugsagentur, i Carlow.

Det er nu mere end en måned efter, at kartoffelplanterne blev slået første gang og stadig et par uger, før afgrøden skal høstes. Et stort landsted, der huser Teagasc's aktiviteter, har udsigt over feltforsøgene, og velklædte irske og EU-bureaukrater suser ind og ud. En stor del af den vidtstrakte bygning blev bygget i 1800-tallet, under den værste hungersnød, der blev udløst, da jordskælv ødelagde Irlands kartoffelhøst. Sådanne hungersnød er langt tilbage i fortiden, men plantesygdommen er fortsat en kostbar pine for landets bønder, der kræver, at de ofte overhælder deres afgrøder med fungicider. Som en del af et EU-dækkende projekt kaldet Amiga for at undersøge virkningen af ​​genetisk modificerede (GM) planter, tester Teagasc-forsker Ewen Mullins kartofler, der er konstrueret til at modstå skimmelsvamp. (Se en video af Mullins og GM-kartofler i Irland nederst på denne side eller her.)

Denne historie var en del af vores januar 2014-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Det er blæsende, og selvom sommeren er forbi, er det stadig varmt og fugtigt. Perfekt vejr til skimmelsvamp, siger Mullins. Han bøjer sig ind over de konventionelt avlede planter og trækker de visne stængler og blade tilbage for at vise, at knoldene, halvt blottede i jorden, er arrede med sorte pletter. Derefter plukker han et grønt blad fra en af ​​de gensplejsede planter, som er blevet modificeret med et skørebestandigt gen fra en vild kartoffel, der vokser i Sydamerika. Kartoffelplantens forsvar har bekæmpet sporerne og gjort dem harmløse. Anlægget, siger Mullins ganske enkelt, har klaret sig godt.

Det er andet år af, hvad der efter planen skal være treårige feltforsøg. Men selvom resultaterne fra næste år er tilsvarende opmuntrende, har Teagasc ikke tænkt sig at give landmænd adgang til anlægget, som er udviklet af forskere ved Wageningen Universitet i Holland. Sådanne gensplejsede afgrøder er fortsat kontroversielle i Europa, og kun to er godkendt til plantning i EU. Selvom Mullins og hans kolleger er ivrige efter at lære, hvordan skimmel påvirker de genmodificerede kartofler, og om planterne vil påvirke jordmikrober, er distribution af den modificerede plante i Irland, i det mindste for nu, en ikke-starter.

Ikke desto mindre præsenterer markerne i Carlow et fristende billede af, hvordan genetisk modificerede afgrøder kunne hjælpe med at beskytte verdens fødevareforsyning. Blight-resistente kartofler ville være en af ​​de første store fødevarer, der er genmanipuleret til at inkorporere forsvar mod plantesygdomme, som årligt ødelægger omkring 15 procent af verdens landbrugshøst. På trods af den kraftige brug af fungicider ødelægger senskimmel og andre plantesygdomme en anslået femtedel af verdens kartofler, en fødevare, der i stigende grad dyrkes i Kina og Indien. Stængelrust, en svampesygdom i hvede, har spredt sig gennem store dele af Afrika og den Arabiske Halvø og truer nu de enorme voksende regioner i Central- og Sydasien, som producerer omkring 20 procent af verdens hvede. Bananer, som er en primær fødekilde i lande som Uganda, bliver ofte ødelagt af visnesygdom. I alle disse tilfælde har genteknologi potentialet til at skabe sorter, der er langt bedre i stand til at modstå angrebet.

GM-kartofler kan også føre til en ny generation af bioteknologiske fødevarer, der sælges direkte til forbrugerne. Selvom transgene majs, sojabønner og bomuld - for det meste konstrueret til at modstå insekter og herbicider - er blevet plantet i vid udstrækning siden slutningen af ​​1990'erne i USA og i et væld af andre store landbrugslande, herunder Brasilien og Canada, går majs- og sojabønneafgrøderne hovedsageligt til dyrefoder, biobrændstoffer og madolie. Ingen genetisk modificerede sorter af ris, hvede eller kartofler dyrkes i vid udstrækning, fordi modstand mod sådanne fødevarer har afskrækket investeringer i at udvikle dem, og fordi frøfirmaer ikke har fundet måder at tjene den slags penge på de afgrøder, som de gør fra genetisk modificerede majs og sojabønner.

Tørke, ødelæggende storme og meget varme dage tager allerede en vejafgift på afgrødeudbyttet.

Med den globale befolkning, der forventes at nå mere end ni milliarder i 2050, kan verden dog snart hungre efter sådanne sorter. Selvom landbrugets produktivitet er forbedret dramatisk i løbet af de sidste 50 år, frygter økonomer, at disse forbedringer er begyndt at aftage på et tidspunkt, hvor fødevareefterspørgslen, drevet af det større antal mennesker og den voksende appetit hos de rigere befolkninger, forventes at stige mellem 70 og 100 procent i midten af ​​århundredet. Især viser de hurtige stigninger i ris- og hvedeudbyttet, der har været med til at brødføde verden i årtier, tegn på at bremse, og produktionen af ​​korn skal mere end fordobles i 2050 for at følge med. Hvis tendensen fortsætter, kan produktionen være utilstrækkelig til at imødekomme efterspørgslen, medmindre vi begynder at bruge markant mere jord, gødning og vand.

Klimaændringer vil sandsynligvis gøre problemet langt værre, hvilket bringer højere temperaturer og i mange regioner vådere forhold, der spreder angreb af sygdom og insekter til nye områder. Tørke, ødelæggende storme og meget varme dage tager allerede en vejafgift på afgrødeudbyttet, og hyppigheden af ​​disse hændelser forventes at stige kraftigt, efterhånden som klimaet bliver varmere. For landmændene kan virkningerne af klimaændringer forenklet formuleres: Vejret er blevet langt mere uforudsigeligt, og ekstremt vejr er blevet langt mere almindeligt.

Det centrale højland i Mexico, for eksempel, oplevede deres tørreste og vådeste år på rekord i 2011 og 2012, siger Matthew Reynolds, en hvedefysiolog ved International Maize and Wheat Improvement Center i El Batán. En sådan variation er bekymrende og meget dårlig for landbruget, siger han. Det er ekstremt udfordrende at avle til det. Hvis du har et relativt stabilt klima, kan du avle afgrøder med genetiske egenskaber, der følger en vis profil af temperaturer og nedbør. Så snart du kommer i en tilstand af fluks, er det meget sværere at vide, hvilke egenskaber du skal målrette mod.

En fordel ved at bruge genteknologi til at hjælpe afgrøder med at tilpasse sig disse pludselige ændringer er, at nye sorter hurtigt kan skabes. At skabe en kartoffelsort gennem konventionel forædling tager for eksempel mindst 15 år; at producere en genetisk modificeret en tager mindre end seks måneder. Genetisk modifikation giver også planteavlere mulighed for at foretage mere præcise ændringer og trække fra en langt større variation af gener, hentet fra planternes vilde slægtninge eller fra forskellige typer organismer. Planteforskere er omhyggelige med at bemærke, at intet magisk gen kan indsættes i en afgrøde for at gøre den tørketolerant eller for at øge dens udbytte - selv modstand mod en sygdom kræver typisk flere genetiske ændringer. Men mange af dem siger, at genteknologi er en alsidig og vigtig teknik.

Det er en overvældende logisk ting at gøre, siger Jonathan Jones, en videnskabsmand ved Sainsbury Laboratory i Storbritannien og en af ​​verdens førende eksperter i plantesygdomme. Det kommende pres på landbrugsproduktionen, siger han, [er] reelt og vil påvirke millioner af mennesker i fattige lande. Han tilføjer, at det ville være perverst at afvise at bruge genetisk modifikation som et værktøj.

Det er et synspunkt, der deles bredt af dem, der er ansvarlige for at udvikle morgendagens afgrødesorter. På det nuværende niveau af landbrugsproduktion er der mad nok til at brødføde verden, siger Eduardo Blumwald, en planteforsker ved University of California, Davis. Men når befolkningen når ni milliarder? han siger. Nej, José.

Mislykkede løfter

Løftet om, at genetisk modificerede afgrøder kan hjælpe med at brødføde verden, er mindst lige så gammelt som kommercialiseringen af ​​de første transgene frø i midten af ​​1990'erne. De virksomheder, der hjalp med at omdanne gensplejsede afgrøder til en multimilliard-forretning, inklusive de store kemivirksomheder Monsanto, Bayer og DuPont, promoverede teknologien som en del af en life science-revolution, der ville øge fødevareproduktionen markant. Indtil videre har det af flere årsager vist sig at have været et noget tomt løfte.

Naturligvis er bioteknologiske afgrøder en stor kommerciel succes i nogle lande. Ideen er enkel, men overbevisende: Ved at indsætte et fremmed gen afledt af for eksempel bakterier i majs, kan du give planten en egenskab, den ellers ikke ville have. Undersøgelser anslår, at mere end 170 millioner hektar af sådanne transgene afgrøder dyrkes på verdensplan. I USA er størstedelen af ​​majs, sojabønner og bomuld plantet med et gen fra jordbakterien Bacillus thuringensis —Bt—for at afværge insekter eller med et andet bakteriegen for at modstå herbicider. På verdensplan er 81 procent af sojabønnerne og 35 procent af den dyrkede majs bioteknologiske sorter. I Indien blev Bt-bomuld godkendt for mere end ti år siden og repræsenterer nu 96 procent af den bomuld, der dyrkes i landet.

Alligevel er det ikke klart, om det boom i transgene afgrøder har ført til øget fødevareproduktion eller lavere priser for forbrugerne. Tag for eksempel majs. I USA er 76 procent af afgrøden genetisk modificeret til at modstå insekter, og 85 procent kan tåle at blive sprøjtet med en ukrudtsmiddel. Sådanne majs har uden tvivl været en velsignelse for landmændene ved at reducere brugen af ​​pesticider og øge udbyttet. Men lidt af amerikansk majsproduktion bruges direkte til menneskeføde; omkring 4 procent går til majssirup med højt indhold af fructose og 1,8 procent til korn og andre fødevarer. Genmodificerede majs og sojabønner er så rentable, at amerikanske landmænd er begyndt at erstatte dem med hvede: omkring 56 millioner acres hvede blev plantet i 2012, et fald fra 62 millioner i 2000. Da udbuddet faldt, steg prisen på en skæppe hvede til næsten $8 i 2012, fra $2,50 i 2000.

Indtil videre inkluderer den korte liste over transgene afgrøder, der anvendes direkte til fødevarer, virus-resistent papaya dyrket på Hawaii, Bt-sukkermajs, der for nylig blev kommercialiseret i USA af Monsanto, og nogle få varianter af squash, der modstår plantevirus. Den liste kan dog være ved at vokse. Det indonesiske landbrugsagentur forventer snart at godkende en ildfast kartoffel, og JR Simplot, en landbrugsleverandør med base i Boise, Idaho, håber at kommercialisere sin egen version inden 2017. Monsanto, som opgav et forsøg på at udvikle GM-hvede i 2004, købte et hvedefrøfirma i 2009 og prøver nu igen. Og Cornell-forskere arbejder sammen med samarbejdspartnere i Indien, Bangladesh og Filippinerne, lande hvor aubergine er en fast bestanddel, for at gøre en insekt-resistent form af grøntsagerne tilgængelig for landmændene.

Kun en håndfuld store virksomheder har råd til risikoen og omkostningerne ved at kommercialisere GMO'er.

Disse biokonstruerede versioner af nogle af verdens vigtigste fødevareafgrøder kan hjælpe med at opfylde de første håb om genetisk modificerede organismer eller GMO'er. Men de vil næsten helt sikkert også varme debatten om teknologien op. Modstandere bekymrer sig om, at indsættelse af fremmede gener i afgrøder kan gøre fødevarer farlige eller allergifremkaldende, selvom mere end 15 års erfaring med transgene afgrøder ikke har afsløret nogen sundhedsfare, og det har heller ikke en række videnskabelige undersøgelser. Mere troværdigt antyder kritikere, at teknologien er et trick fra gigantiske virksomheder, især Monsanto, for at sælge flere herbicider, dominere landbrugets forsyningskæde og efterlade landmænd afhængige af dyre transgene frø. Den mest overbevisende kritik kan dog ganske enkelt være, at eksisterende transgene afgrøder ikke har gjort meget for at garantere fremtiden for verdens fødevareforsyning i lyset af klimaændringer og en voksende befolkning.

Den første generation af insekt-resistente og herbicid-tolerante afgrøder tilbyder få nye egenskaber, såsom tørketolerance og sygdomsresistens, der kan hjælpe planterne med at tilpasse sig ændringer i vejr og sygdomsmønstre, erkender Margaret Smith, professor i planteavl og genetik. på Cornell University. Ikke desto mindre siger hun, at der ikke er nogen gyldig grund til at afvise teknologien, da planteforskere kæmper for at øge afgrødens produktivitet. Forskere står over for en skræmmende avlsudfordring, siger Smith. Vi får brug for en anden generation af transgene afgrøder. Det ville være en fejl at udelukke dette værktøj, fordi de første produkter ikke adresserede de store problemer.

Det vil ikke være let at udvikle afgrøder, der er bedre i stand til at modstå klimaændringer. Det vil kræve, at planteforskere udvikler komplekse egenskaber, der involverer flere gener. Varig sygdomsresistens kræver typisk en række genetiske ændringer og detaljeret viden om, hvordan patogener angriber planten. Egenskaber som tolerance over for tørke og varme er endnu sværere, da de kan kræve grundlæggende ændringer i plantens fysiologi.

Er genteknologi op til opgaven? Ingen ved. Men de seneste genomiske gennembrud er opmuntrende. Forskere har sekventeret genomerne af afgrøder som ris, kartofler, bananer og hvede. Samtidig betyder fremskridt inden for molekylærbiologi, at gener kan slettes, modificeres og indsættes med langt større præcision. Især nye genomteknologiske værktøjer kendt som Talens og Crispr giver genetikere mulighed for at redigere plante-DNA og ændre kromosomerne præcis, hvor de vil.

Præcise redigeringer

Værkstedet, der støder op til rækkerne af drivhuse i udkanten af ​​Cornells campus i Ithaca, New York, lugter muggent og fugtigt fra kasserne med kartofler. Det er mindre end en kilometer fra universitetets molekylærbiologiske laboratorier, men det, du ser, er transportbånd af træ, trådskærme og vandslanger. Walter De Jong sorterer og dimensionerer høstede kartofler som led i en flerårig indsats for at komme med endnu en bedre sort til regionens avlere. Æskerne er fyldt med kartofler - nogle små og runde, andre store og misformede. På spørgsmålet om, hvilke egenskaber der er vigtige for forbrugerne, smiler han lumsk og siger: Ser, ser, ser.

Spørgsmålet om, hvordan han har det med bestræbelserne på at udvikle transgene kartofler, er ikke så let besvaret. Det er ikke, at De Jong er modstander af genteknologi. Som kartoffelavler er han velbevandret i konventionelle metoder til at introducere nye egenskaber, men han har også en PhD i plantepatologi og har forsket betydeligt i molekylærbiologi; han kender de muligheder, som avanceret genetik åbner op for. I det nordøstlige USA er en række kartofler optimeret til omkring en radius på 500 mil, idet der tages højde for vækstsæsonens længde og vejrtypen i området. Klimaændringer betyder, at disse vækstzoner skifter, hvilket gør afgrødeavl som at løse et puslespil, hvor brikkerne bevæger sig rundt. Den hastighed, som genetisk modifikation tilbyder, ville hjælpe. Men, siger De Jong afvisende, jeg forventer ikke at bruge [transgen] teknologi. Jeg har ikke råd til det.

Dyrkning af GM-kartofler på Teagasc begynder med en GM-plante dyrket i en vævskultur (1); det overføres til et drivhus (2) og til sidst til markforsøg (3). De høstede knolde fremstår sunde og fri for rod (4).

Det er en mærkelig situation, siger han. Forskere ved offentlige og akademiske forskningsinstitutioner har gjort meget af arbejdet med at identificere gener og forstå, hvordan de kan påvirke egenskaber i planter. Men de langvarige test- og reguleringsprocesser for genetisk modificerede afgrøder og faren for, at forbrugerne afviser dem, betyder, at kun en håndfuld store virksomheder har råd til udgiften og risikoen ved at udvikle dem, siger han.

Men De Jong bliver pludselig animeret, da han bliver spurgt om de nyeste genomteknologiske værktøjer. Det er det, jeg har ventet på hele min karriere, siger han og slår hænderne op. Så længe jeg har været kartoffelforsker, har jeg ønsket mig to ting: et sekventeret kartoffelgenom og evnen til at modificere genomet efter behag. På tværs af campus driver De Jong også et molekylærbiologisk laboratorium, hvor han har identificeret den DNA-sekvens, der er ansvarlig for rødt pigment i kartoffelknolde. Snart kunne det være muligt præcist at ændre den sekvens i en kartoffelcelle, der så kan dyrkes til en plante: Hvis jeg havde en hvid kartoffel, ville jeg blive rød, kunne jeg bare redigere et eller to nukleotider og få den farve, jeg ønsker. . Planteavl er ikke kunsten at blande gener rundt, forklarer De Jong. Som udgangspunkt har alle kartofler de samme gener; det, de har, er forskellige versioner af generne - alleler. Og alleler adskiller sig fra hinanden i nogle få nukleotider. Hvis jeg kan redigere de få nukleotider, hvorfor så avle efter [en egenskab]? Det har været den hellige gral i plantegenetik i lang tid.

Et problem med konventionelle genteknologiske teknikker er, at de tilføjer gener uforudsigeligt. Det ønskede gen indsættes i målcellen i en petriskål ved hjælp af enten en plantebakterie eller en genpistol, der fysisk skyder en lillebitte partikel dækket med DNA'et. Når molekylerne er i cellen, indsættes det nye gen tilfældigt i kromosomet. (Den transformerede celle dyrkes i en vævskultur for at blive en plante og til sidst en plante.) Det er umuligt at kontrollere, hvor genet bliver tilføjet; nogle gange ender det et sted, hvor det kan udtrykkes effektivt, og nogle gange gør det ikke. Hvad hvis du præcist kunne målrette pletter på plantens kromosom og tilføje nye gener præcis hvor du vil have dem, slå eksisterende ud eller modificere gener ved at skifte nogle få specifikke nukleotider? De nye værktøjer giver videnskabsfolk mulighed for at gøre netop det.

Talens, et af de mest lovende af disse genomteknologiske værktøjer, var inspireret af en mekanisme, der bruges af en bakterie, der inficerer planter. Plantepatologer identificerede de proteiner, der sætter bakterien i stand til at lokalisere målplantens DNA og fandt måder at konstruere disse proteiner til at genkende enhver ønsket sekvens; derefter fusionerede de disse proteiner med nukleaser, der skar DNA, hvilket skabte et præcist redigeringsværktøj. En plantebakterie eller genpistol bruges til at få værktøjet ind i plantecellen; når de er inde, nulstilles proteinerne på en specifik DNA-sekvens. Proteinerne leverer nukleaserne til et nøjagtigt sted på kromosomet, hvor de spalter plantens DNA. Reparation af det ødelagte kromosom gør det muligt at indsætte nye gener eller foretage andre typer modifikationer. Crispr, en endnu nyere version af teknologien, bruger RNA til at nulstille de målrettede gener. Med både Talens og Crispr kan molekylærbiologer modificere selv nogle få nukleotider eller indsætte og slette et gen præcis hvor de vil på kromosomet, hvilket gør ændringen langt mere forudsigelig og effektiv.

En implikation af de nye værktøjer er, at planter kan genetisk modificeres uden tilføjelse af fremmede gener. Selvom det er for tidligt at sige, om det vil ændre den offentlige debat om GMO'er, indikerer reguleringsorganer - i det mindste i USA - at afgrøder, der er modificeret uden fremmede gener, ikke behøver at blive undersøgt lige så grundigt som transgene afgrøder. Det kan i høj grad reducere den tid og de omkostninger, det tager at kommercialisere nye varianter af gensplejsede fødevarer. Og det er muligt, at kritikere af bioteknologi kunne drage en lignende skelnen og tolerere genetisk modificerede afgrøder, så længe de ikke er transgene.

Dan Voytas, direktør for genomingeniørcentret ved University of Minnesota og en af ​​Talens' opfindere, siger, at en af ​​hans hovedmotiver er behovet for at brødføde yderligere to milliarder mennesker inden midten af ​​århundredet. I en af ​​sine mest ambitiøse indsatser, centreret ved International Rice Research Institute i Los Baños, Filippinerne, samarbejder han med et verdensomspændende netværk af forskere for at omskrive risens fysiologi. Ris og hvede har ligesom andre korn, hvad botanikere kalder C3-fotosyntese, snarere end den mere komplekse C4-version, som majs og sukkerrør har. C4-versionen af ​​fotosyntese bruger vand og kuldioxid langt mere effektivt. Hvis projektet lykkes, kan både ris- og hvedeudbyttet øges i regioner, der bliver varmere og tørrere som følge af klimaændringer.

At omskrive et anlægs kernefunktioner er ikke en triviel opgave. Men Voytas siger, at Talens kunne være et værdifuldt værktøj - både til at identificere de genetiske veje, der kan justeres, og til at foretage de mange nødvendige genetiske ændringer.

Presset for at hjælpe med at brødføde den voksende befolkning på et tidspunkt, hvor klimaændringerne gør mere jord marginalt for landbruget, er den byrde, som plantebiologer bærer, siger Voytas. Men han er optimistisk. I løbet af en stor del af de sidste 50 år, påpeger han, har afgrødeproduktiviteten opnået gentagne fremskridt, som først kan tilskrives brugen af ​​hybridfrø, derefter til de nye plantesorter, der blev introduceret under den såkaldte grønne revolution, og endda til de første GM-planter. . Introduktionen af ​​de nye genomteknologiske værktøjer, siger han, vil være et andet omdrejningspunkt.

Hvis han har ret, er det måske lige i tide.

Hedebølge

For agronomer, planteavlere og landmænd handler det om udbytte - den mængde en afgrøde producerer på en hektar. De bemærkelsesværdige stigninger i afgrødeudbyttet begyndende i midten af ​​det 20. århundrede er hovedårsagen til, at vi har mad nok til at gå fra at brødføde tre milliarder mennesker i 1960 til at brødføde syv milliarder i 2011 med kun en lille stigning i mængden af ​​jord under dyrkning . Måske mest berømt var, at den grønne revolution ledet af den Iowa-fødte plantepatolog og genetiker Norman Borlaug øgede udbyttet af hvede, majs og ris betydeligt i mange dele af verden. Det gjorde det til dels ved at introducere mere produktive afgrødesorter, startende i Mexico og derefter i Pakistan, Indien og andre lande. Men i det mindste det sidste årti synes stigningerne i udbyttet af hvede og ris at være aftaget. Udbyttet af hvede, for eksempel, vokser med omkring 1 procent årligt; de skal øges med næsten 2 procent årligt for at holde trit med fødevareefterspørgslen på lang sigt. Landbrugseksperter advarer om, at udbyttet også skal forbedres for andre afgrøder, hvis vi skal brødføde en hurtigt voksende befolkning - og alligevel vil stigende temperaturer og andre effekter af globale klimaændringer gøre dette sværere at opnå.

David Lobell, professor i miljømæssig jordsystemvidenskab ved Stanford University, har en rolig opførsel, der modsiger hans dystre besked om, hvordan den globale opvarmning allerede påvirker afgrøderne. Effekterne af klimaændringer på landbruget er blevet diskuteret bredt, men for nylig har Lobell og hans samarbejdspartnere afklaret fremskrivningerne ved at gennemsøge historiske optegnelser om vejr og landbrugsproduktion. De fandt ud af, at klimaændringerne fra 1980 til 2008 sænkede udbyttet af hvede og majs; udbyttet steg stadig i løbet af den tid, men den samlede produktion var 2 til 3 procent mindre, end den ville have været, hvis ikke den globale opvarmning havde været. Dette har holdt stik i de fleste af de regioner, hvor der dyrkes majs og hvede.

Fundet er opsigtsvækkende, fordi det antyder, at den globale opvarmning allerede har haft en betydelig indvirkning på fødevareproduktionen og vil gøre en endnu større forskel, efterhånden som klimaforandringerne intensiveres. Alt, hvad der får udbyttet [vækst] til at flade ud, er en bekymring, siger Lobell. Og mens det samlede udbytte af hvede og majs stadig stiger, siger han, bliver klimaændringer en bekymring længe før du har negative udbyttetendenser.

Endnu mere foruroligende har Lobell og hans samarbejdspartner Wolfram Schlenker, økonom ved Columbia University, fundet beviser for, at i tilfælde af flere vigtige afgrøder er den negative effekt af global opvarmning stærkere knyttet til antallet af ekstremt varme dage end til stigningen i gennemsnitstemperaturer over en sæson. Hvis det er sandt, kan tidligere forskning have undervurderet virkningen af ​​klimaændringer alvorligt ved kun at se på gennemsnitlige temperaturer.

Schlenkers beregninger viser konstante stigninger i majs- og sojabønnerudbyttet, efterhånden som temperaturen stiger fra 10 °C til 20'erne – men ved omkring 29 °C for majs og 30 °C for sojabønner bliver afgrøderne hårdt ramt, og udbyttet falder dramatisk. I efterfølgende arbejde viste Lobell, at varme dage gjorde langt mere skade på hvede i det nordlige Indien end hidtil antaget.

Landbrugets udbytter skal forbedres, hvis vi skal brødføde en hurtigt voksende befolkning.

En overraskende og bekymrende detalje ved forskningen, siger Schlenker, er, at afgrøder og landmænd ikke ser ud til at have tilpasset sig den øgede hyppighed af varme dage. Det, der overraskede mig mest og burde informere os fremadrettet, siger han, er, at der er sket enorme fremskridt inden for landbrugsopdræt – det gennemsnitlige udbytte er steget mere end tre gange siden 1950'erne – men hvis man ser på følsomhed over for ekstrem varme, ser det ud til at være lige så slemt, som det var i 1950'erne. Vi skal have afgrøder, der er bedre til at håndtere varmt klima. Under hedebølgen, der ramte store dele af USA i 2012, siger han, faldt majsudbyttet med 20 procent, og 2012 er ikke så usædvanligt et år sammenlignet med, hvad klimamodellerne forudsiger, vil være en ny normal ret snart.

Det er muligt, at planter simpelthen er fastkablet til at lukke ned ved temperaturer over 30 °C. Schlenker siger faktisk, at han ikke er overbevist om, at afgrøder kan konstrueres til at tilpasse sig den øgede hyppighed af varme dage, selvom han håber, at han tager fejl. Ligeledes ønsker Lobell, at hans arbejde bedre kan definere, hvilke aspekter af klimaændringer, der skader afgrøder og dermed hjælpe med at målrette de nødvendige genetiske ændringer. Men ligesom Schlenker er han usikker på, om genetik kan give meget af et svar.

I Californiens Central Valley, et af verdens mest produktive landbrugsområder, erkender UC Davis's Blumwald, at videnskabsmænd aldrig har avlet for stress som tørke og varme. Men det vil han ændre på. Ved at indsætte en kombination af gener for tolerance over for varme, tørke og høj jordsaltindhold i ris og andre planter, skaber Blumwald afgrøder, der i det mindste har nogle fordele under ekstreme vejrforhold, især i nøgletider i deres vækstcyklus.

Udfordringen er at undgå at reducere udbyttet under gode vækstbetingelser. Så Blumwald har identificeret et protein, der kun aktiverer de indsatte gener under ugunstige forhold. Der er ingen kur mod tørke. Hvis der ikke er vand, dør planten. Jeg er ikke en tryllekunstner, siger han. Vi vil blot udsætte stressreaktionen så længe som muligt for at bevare udbyttet, indtil vandet kommer.

Dagligt brød

En mark lige nord for London på Rothamsted Researchs grund, der betegner sig selv som verdens længst fungerende landbrugsforskningsstation (grundlagt i 1843), er et af omdrejningspunkterne i Europas fortsatte kamp om genetisk modificerede fødevarer. Kontroversen her er over en hvedemark på 80 gange 80 meter, hvoraf noget af det er genetisk modificeret til at producere et hormon, der frastøder bladlus, et almindeligt skadedyr. I 2012 klatrede en demonstrant op på et lavt hegn og spredte konventionelle hvedefrø blandt GM-planterne i et forsøg på at sabotere retssagen. Forskerne ved Rothamsted fik støvsuget frøene, hyrede flere ekstra sikkerhedsvagter og byggede et andet hegn, dette tre meter højt og toppet med et buet udhæng for at forhindre, at det blev skaleret. Senere marcherede et par hundrede demonstranter arm i arm til kanten af ​​den indhegnede mark, før de blev stoppet af politiet.

Balladen i Rothamsted er blot et hint om, at den næste store GMO-kontrovers kan involvere transgen hvede. Hvede er trods alt verdens mest plantede afgrøde, der tegner sig for 21 procent af de kalorier, der forbruges globalt. At blande sig med et korn, der laver det daglige brød for utallige millioner rundt om i verden, ville være særligt stødende for mange modstandere af genetisk modificerede fødevarer. Hvad mere er, hvede er en råvare, der sælges på verdensmarkederne, så godkendelse af GM-hvede i et førende eksportland vil sandsynligvis have konsekvenser for fødevaremarkederne overalt.

Hvede er også emblematisk for de kampe, som landbruget står over for, da det forsøger at følge med en voksende befolkning og et skiftende klima. Ikke alene er gevinsterne i udbyttet begyndt at aftage, men hvede er særligt følsom over for stigende temperaturer og dyrkes i mange regioner, såsom Australien, der er tilbøjelige til alvorlig tørke. Hvad mere er, hvede er sårbar over for en af ​​verdens mest frygtede plantesygdomme: stængelrust, som truer det frugtbare skår i Pakistan og det nordlige Indien, kendt som Indo-Gangetic Plain. Konventionelle forædlingsteknikker har gjort bemærkelsesværdige fremskridt mod disse problemer og producerer sorter, der i stigende grad er tørketolerante og sygdomsresistente. Men bioteknologi tilbyder fordele, som ikke bør ignoreres.

Klimaændringer ændrer ikke [udfordringen for planteavlere], men det gør det meget mere presserende, siger Walter Falcon, vicedirektør for Center for Fødevaresikkerhed og Miljø i Stanford. Falcon var en af ​​den grønne revolutions fodsoldater, der arbejdede i de hvededyrkende regioner i Pakistan og i Mexicos Yaqui-dal. Men han siger, at de bemærkelsesværdige stigninger i produktiviteten opnået mellem 1970 og 1995 stort set har udspillet sig, og han bekymrer sig om, hvorvidt det teknologiintensive landbrug i disse regioner kan opretholdes. Han siger, at Yaqui-dalen forbliver yderst produktiv - de seneste udbytter på syv tons hvede pr. hektar blæser dit sind - men den store brug af gødning og vand skubber grænserne for nuværende praksis. Ligeledes siger Falcon, at han er bekymret for, hvordan klimaændringer vil påvirke landbruget i Indo-Gangetic Plain, hjemsted for næsten en milliard mennesker.

Adspurgt om transgen teknologi vil løse nogen af ​​disse problemer, svarer han, jeg holder ikke vejret, idet jeg citerer både videnskabelige årsager og modstand mod GM-afgrøder. Men han forventer fremskridt inden for genetiske teknologier i løbet af det næste årti for at skabe hvedesorter, der er bedre rustet til at modstå skadedyr, højere temperaturer og tørke.

Det er meget muligt, at de første og mest dramatiske fremskridt vil komme i tilpasningen af ​​afgrøder til de skiftende sygdomsmønstre. Og som Teagascs Ewen Mullins udtrykker det, hvis du vil studere plantesygdomme, kommer du til Irland.

Hundrede kilometer fra de idylliske marker i Carlow udvikler Fiona Doohan, en plantepatolog ved University College Dublin, hvedesorter, der tåler lokale sygdomme og forsøger at forstå, hvordan plantepatogener kan udvikle sig med klimaændringer. På skolens landbrugsforsøgsstation bruger hun dyrkningskamre, hvor koncentrationen af ​​kuldioxid kan justeres for at efterligne de højere niveauer, der forventes i 2050. Forsøgene har givet en grim overraskelse. Når hvede og de patogener, der almindeligvis rammer den, sættes i kammeret med de øgede niveauer af kuldioxid, forbliver planten resistent over for svampen. Men når begge dyrkes separat gennem flere generationer under 2050-forhold og derefter placeres sammen, siger Doohan, styrter planterne. Dette antyder, ildevarslende, at plantepatogener kan være langt bedre og hurtigere end hvede til at tilpasse sig øget kuldioxid.

Ved siden af ​​bygningen ligger en æbleplantage med repræsentanter for træer dyrket over hele Irland, inklusive arvestykker, der har været plantet i århundreder. Doohan ser kærligt på dem, mens hun går forbi, jorden dækket af nedfaldne æbler. Yderst i frugtplantagen ligger en række drivhuse, herunder et lille, hvor man tester genmodificerede planter. Indeni er en særlig lovende transgen hvede, der viser sig at være resistent over for de typer af skurvsygdomme, der er almindelige i Irland. Det nye gen øger også plantens kornproduktion, siger Doohan, der har skabt sorten sammen med sine kolleger. Hun er tydeligvis glad for resultaterne. Men, tilføjer hun hurtigt, der er ingen planer om at teste den genmodificerede hvede ude på marken i Irland eller andre steder i Europa. I det mindste indtil videre er den lovende hvedesort dømt til at blive i drivhuset.

skjule