Genome editing for sustainability: Improving host resistance to combat late blight in potato and sea lice in Atlantic salmon

Abstract

Few species are as central to Norwegian society and culture as the potato and the Atlantic salmon. Yet these industries face considerable threats to production by pests, namely potato late blight (Phytophthora infestans) and sea lice (Lepeophtheirus salmonis). Current pest-control strategies, such as the use of fungicides and mechanical delousing methods, endanger the sectors' sustainability. Breeding for increased host resistance against these pests offers a strong preventative strategy to ensure future potato and Atlantic salmon production, in a sustainable way. Nevertheless, traditional breeding methods and GMO technology do not offer durable solutions for improved resistance. New breeding technologies like genome editing using CRISPR/Cas9 offer a unique, rapid solution to introduce much-needed resistance in these species. CRISPR technology revolutionises how we can target specific genes to strengthen host resistance. In potato, we explored how CRISPR may improve resistance by introducing race-specific (qualitative) and non-race-specific (quantitative) genes as well as by knocking out susceptibility genes. We further investigated how CRISPR may enable pyramiding of resistance and susceptibility genes to achieve durability against P. infestans. Research in Atlantic salmon shows that sea lice resistance can be explained by genetics but that it is a highly polygenic trait, with many genes having minor effects. CRISPR can be deployed as a way to study gene function to identify the causative DNA sequences underlying sea lice resistance. Once discovered, CRISPR can be used to promote certain alleles having the largest effects on resistance (PAGE method), or by harnessing genetic biodiversity from a closely related species (introgression-by-editing), or even by introducing small, novel insertions or mutations in the target genes. We found, however, that if the aim is to release an organism for cultivation and consumption, the type of changes to the DNA determines how that organism will navigate the legal framework. The Gene Technology Act determines that organisms edited using CRISPR are defined as GMO and must undergo the appropriate assessments for deliberate release. Part of that assessment investigates the organism’s contribution to sustainability, a criterion maintained in the Norwegian Biotechnology Advisory Board’s proposal for a tiered regulatory system. A potato demonstrating strong partial to complete resistance against late blight, with minor changes to its DNA might significantly reduce, possibly even eliminate, fungicide use, thereby providing food that positively impacts environmental health and sustainability. Farming of Atlantic salmon with improved resistance not only improves fish welfare and possibly the necessity for delousing, but it may also reduce the concentrating effect of infestations at farm sites and the resultant impacts on wild salmon populations. This thesis shows that with less risky genome edits, done with a sustainable purpose may pave the way for release approval under the Gene Technology Act, securing sustainable food production in Norway. We cannot, however, disrupt the status quo unless policymakers and regulators can strike a fine balance between regulating the risk and fostering technological innovation.

Få arter er like sentrale i det norske samfunnets matvaner som potet og laks. Samtidig står produksjonen av disse matvarene overfor betydelige trusler fra sykdommer og skadedyr, henholdsvis potettørråte (Phytophthora infestans) og lakselus (Lepeophtheirus salmonis). Bekjempelsesstrategier, som bruk av soppdrepende midler og mekaniske avlusingsmetoder, setter søkelys på bærekraften i produksjonen. Avl for økt resistens mot disse skadegjørerne er nødvendig i en forebyggende strategi for å sikre fremtidig bærekraftig potet- og lakseproduksjon. Tradisjonelle avlsmetoder og GMO-teknologi gir ikke nødvendigvis umiddelbare løsninger for forbedret resistens. Nye avlsteknologier slik som genomredigering ved bruk av CRISPR/Cas9 kan tilby raskere løsninger for å introdusere resistens mot skadedyr hos disse artene. CRISPR-teknologi revolusjonerer hvordan vi kan målrette spesifikke gener for å styrke resistens mot skadegjørere. For potet har vi sett på mulighetene for hvordan CRISPR kan øke resistensen mot tørråte ved å introdusere sorts-spesifikke (kvalitative) og ikke-sorts-spesifikke (kvantitative) gener, samt ved å slå ut mottakelighetsgener som bidrar til økt angrep. Videre har vi sett på hvordan CRISPR kan muliggjøre ‘pyramidisering’ av resistens- og mottakelighetsgener, slik at resistensen kan vare lenge og virke mot flere raser av soppen P. infestans. Forskning på atlantisk laks viser at luseresistens kan forklares med genetikk, men at det er en svært polygenisk egenskap, med mange gener som hver har mindre effekt. CRISPR kan brukes for å studere genfunksjon og for å identifisere de underliggende DNA-sekvensene som kan gi resistens mot lakselus. Hvis slike gener oppdages, kan dette brukes til å fremme spesifikke alleler med påvist størst effekt på resistens (PAGE-metoden), eller ved å utnytte genetisk biologisk mangfold fra en nært beslektet art (introgresjon ved redigering), eller til og med ved å introdusere små, nye geninnsettinger eller mutasjoner. Hvis målet er utsetting for produksjon, bestemmer typen endringer i DNA hvordan organismen vil kunne navigere i det juridiske rammeverket. Genteknologiloven av 1993, som er underlagt EØS-avtalen, innebærer at organismer redigert ved bruk av CRISPR er definert som GMO og dermed blir de gjenstand for de samme vurderingene og godkjenning for utsetting for vi har i dag ved konvensjonell GMO. Neste del av vurderingene i denne oppgaven er å diskutere organismenes mulige bidrag til bærekraft, et kriterium som er opprettholdt i Bioteknologirådets forslag til revisjon av Genteknologiloven som innebærer et trinnvis reguleringssystem, med ulik grad av risikovurdering i konsekvensutredningen. En potet som viser sterk til fullstendig resistens mot tørråte, med få endringer i DNA, kan redusere og muligens til og med eliminere, bruken av soppdrepende midler, som i dagens landbruk står for halvparten av all bruk av soppmidler i Norge. Den vil derved bidra til mat med en positiv innvirkning på miljø, helse, og bærekraft. Oppdrett av laks med økt luseresistens forbedrer fiskevelferden og sannsynligvis redusere antall avlusinger. Den vil også kunne redusere konsentrasjonseffekten av luseangrep på oppdrettslokaliteter og dermed redusere luseangrep på villaksbestandene. Denne masteroppgaven diskuterer hvorvidt mindre risikable genom-redigeringer som utføres med formål om bærekraftig matproduksjon i Norge, kan eller bør bli godkjent for utsetting i henhold til genteknologiloven. Diskusjonen spiller inn til den politiske og forvaltningsmessige debatten om balansen mellom å regulere risiko for helse og miljø og å fremme teknologisk innovasjon.