Havgenomet – bevaring og bærekraftig bruk av marine genetiske ressurser i Norge

Hovedfunn i «Blue Paper #4– The Ocean Genome»

Genomisk variasjon i havet: Å sikre størst mulig genomisk mangfold gir som regel økologiske fordeler, blant annet ved å stabilisere økosystemer og muliggjøre tilpasning til fremtidige miljøendringer. Genomisk mangfold i havet gir også muligheter når det gjelder innovasjon og industrialisering innenfor medisin, kosmetikk, akvakultur, matindustri og kjemisk industri. Høsting og bioprospektering av marine biologiske ressurser i fremtiden er avhengig av at havgenomet blir bevart.

Utfordringer i bevaringen av havgenomet: Havgenomet står i dag overfor en rekke trusler som klimaendringer, overbeskatning av marine arter, ødelagte leveområder, introduserte arter, forurensning fra aktiviteter på land og hav inkludert dyphavsgruvedrift. Truslene påvirker hverandre gjensidig. Overfiske av en art vil for eksempel svekke dens evne til å tilpasse seg klimaendringer på grunn av tapt genomisk variasjon. Flere arter risikerer vesentlig tap av genomisk variasjon eller utryddelse. For å sikre bevaring og bærekraftig bruk av havgenomet trengs kartlegging, noe som er kostbart og ofte krever avansert teknologi. Dessuten er terrestriske arter så langt blitt prioritert foran marine arter (figur 1). Vi mangler derfor genomdata for de fleste marine arter og bestander. Videre er bevaring av havgenomet avhengig av økt internasjonalt samarbeid.

Mulige løsninger: Skal havgenomet opprettholdes, må utforskning og bevaring av genetisk variasjon innarbeides i forvaltningsplanene. Målet må være at 30 prosent av havet blir totalt fredet i marine verneområder. For å bevare genomisk mangfold og ivareta genetikkens betydning for tilpasningsdyktighet overfor miljøendringer må man sørge for at slik fredning er representativ for ulike habitater. Det må etableres et nettverk av områder med ulik grad av beskyttelse (også for kommersiell høsting av gener). Dette forutsetter grundig genomisk kartlegging av marine organismer, som igjen vil muliggjøre bruk av genetiske metoder i overvåking og bevaring av biologisk mangfold. Et eksempel er overvåking av økosystemer ved å analysere miljø-DNA (eDNA), som er DNA tilført omgivelsene fra ulike arter via dyre- og planterester, avføring og lignende. Analyser av eDNA kan avsløre både artsmangfold og relative mengder av de enkelte arter, inkludert arter det er vanskelig å kartlegge med tradisjonelle fangstmetoder (se figur 2). Ved hjelp av genredigering med CRISPR-Cas-teknologi kan slik eDNA-overvåking spisses inn mot arter av særlig stor økologisk og/eller økonomisk betydning. Kartlegging og forskning må være basert på samfunnsansvarlig forskning og innovasjon (RRI). For eksempel bør alle havgenomdata være offentlig tilgjengelige, og fordeler må spres mellom offentlige og kommersielle aktører. Høyinntektsland bør videre bidra til forskning/infrastruktur i lavinntektsland.

Havgenomet i Norge

Første trinn for å sikre bærekraftig bruk og bevaring av havgenomet er kartlegging (DNA-sekvensering) av genomene til alle organismene i havet. Vi må ta steget fra å se på enkeltgener til å få oversikt over hele genomet til de marine artene. Deretter vil vi også kunne få oversikt over genomisk variasjon innad i artene. Et godt eksempel på nytteverdien av helgenomsekvensering har vi fra Covid-19-pandemien, der hele genomsekvensen til viruset ble offentlig tilgjengelig kun tolv dager etter at det ble oppdaget. Det var avgjørende for både vaksineutvikling, smittesporing og oppdagelse av nye varianter – et arbeid som startet samme dag som virusets genom ble publisert.

Earth Biogenome Project (EBP) er et verdensomspennende prosjekt som tar sikte på å genomsekvensere alle eukaryote arter på jorda over en tiårsperiode. EBP-Nor er et norsk initiativ startet av Norges største universiteter og er i pilotfasen. Norge har et teknologisk fortrinn, økonomiske interesser og ansvaret for et stort marint biologisk mangfold. EBP-Nor vil spille en sentral rolle i kartleggingen av havgenomet og tar sikte på å lage en bank som representerer havets genomiske mangfold.

Et viktig tiltak for å bevare genomisk mangfold langs kysten av Norge er å etablere marine verneområder. Slike verneområder bør være basert på å opprettholde høyest mulig biologisk mangfold på ulike nivåer. For å oppnå dette vil en genombank av marint biomangfold være uvurderlig. Genomdata fra denne genombanken kan videre brukes til å bestemme bestandsstørrelsen til en art og slik avdekke hvilke arter som er sårbare eller truet. Kunnskap om genomer kan også danne grunnlaget for overvåking av økosystemer og er for eksempel en sentral del av en tverrfaglig satsing for et friskt og produktivt havområde bestående av Skagerrak, Kattegat og Oslofjorden, et havområde halvparten av den norske befolkningen er avhengig av og påvirker. Det foregår en storstilt satsing i Norge på å overvåke økosystemer med bruk av eDNA. Ved å analysere eDNA fra vannprøver kan man identifisere artene i et økosystem og slik overvåke alt fra forekomsten av truede arter til oppblomstring av skadelige alger (figur 2). I genomet til organismer ligger også informasjon om hvordan arter kan takle miljøforurensning og stress. Defensomet er en del av genomet (opptil flere hundre gener) som er involvert i gjenkjenning, nedbryting og utskilling av miljøgifter samt koblinger mellom følsomhet for miljøgifter og påvirkning av organismen. Detaljert kunnskap om genene i defensomet kan dermed brukes i risikovurdering av miljøforurensning. Ved å kombinere gode genomdatabaser med miljøtoksikologiske studier basert på miljøprøver (for eksempel forurensningsnivå) kan man utvikle verktøy til bruk i miljøovervåking.

Genomdata kan også brukes til å avdekke kompliserte evolusjonære slektskapsforhold, blant annet pågående eller historiske tilfeller av krysning mellom arter. I tillegg til å sekvensere genomet til alle marine arter vil man trenge dyptgående genomstudier av økologisk og/eller økonomisk viktige arter for å sikre en bærekraftig forvaltning, blant annet ved å kartlegge hvordan ulike bestander er tilpasset ulike miljøer. Et godt eksempel er atlantisk torsk, der man ved hjelp av genomikk har identifisert større genomregioner, såkalte supergener, som skiller torskestammer med ulik økologi, slik som den vandrende skreien og den stedbundne kysttorsken (figur 3). Slik kunnskap om lokal tilpasning er helt nødvendig for å sikre bærekraftig høsting av torsk.

I Norge drives kommersiell akvakulturproduksjon av flere arter fisk, tare, skjell, kråkeboller og hummer. Atlantisk laks er den desidert største og økonomisk viktigste arten. Laks var blant de første akvakulturartene som fikk sitt genom kartlagt, noe som muliggjorde såkalt genomisk seleksjon – en revolusjon innen avl på egenskaper som vekst og sykdomsresistens. For eksempel har man redusert forekomsten av virussykdommen IPN kraftig ved å avle på fisk med «resistensgener» mot sykdommen. Norske forskere og avlsselskaper har vært banebrytende i utviklingen av genombasert avl, som er mer effektiv og fleksibel enn tradisjonelle avlsmetoder. Genomisk informasjon har også spilt en viktig rolle i forvaltningen av villaksen. Ved genomiske undersøkelser kan vi overvåke graden av uønsket innkryssing av oppdrettslaks i villaksstammene i sanntid og spore produksjonsfasiliteter der rømming har skjedd, samt mer presist anslå hvordan dagens situasjon vil påvirke villaksen i fremtiden (figur 3). I fremtidens akvakultur vil CRISPR-Cas genredigering tas i bruk og vil få stor betydning for blant annet sykdomsbekjempelse. CRISPR-Cas brukes allerede i forskning i Norge og har et stort potensial innenfor marin bioindustri. Genredigering av ville bestander er derimot kontroversielt og kan føre med seg uønskede økologiske effekter. Risikovurdering og konsekvensutredning av CRISPR-Cas blir utført av vitenskapskomiteen for mat og miljø (VKM), og deres rapport vil påvirke i hvilken grad dette eventuelt kan tas i bruk.

Som en global spydspiss innen høyteknologisk, genomikkbasert blå økonomi har Norge en unik mulighet til å drive innovasjon og etablering av nye marine industrier i fremtiden. Det er allerede satt i gang flere initiativer for kommersialisering av nye akvakulturarter, for eksempel torsk, kveite, steinbit, blåskjell og i senere tid ulike tarearter. I tillegg til akvakultur er det et stort potensial for utvikling og bærekraftig produksjon av nye marine industriprodukter: fôr til oppdrettsarter, legemidler, mat/helsekost, biopigmenter, energi og annet. En suksesshistorie er selskapet ArcticZymes Technologies, som basert på unike marine enzymer lager verktøy som anvendes innen diagnostikk og vaksiner knyttet til Covid-19 samt i annen bioteknologisk industri. Et annet eksempel er anvendelse av mikroalger, som har bedre næringsinnhold og mye høyere veksthastighet enn landplanter og tarearter. Noen mikroalger er spesielt attraktive ved at de har et høyt innhold av omega-3-lipider, noe som er gunstig for både menneskers og oppdrettsfisks helse. Avl av algearter for optimal massedyrkning og industri krever inngående kunnskap om genomikk og de biokjemiske egenskapene til artene.

Genomressurser vil også kunne føre til en ny gullalder i bioprospektering. For noen av disse marine artene har vi allerede genominformasjon, og bioteknologiske metoder er tatt i bruk. For de fleste marine arter vil imidlertid tilgjengeliggjøring av moderne genomressurser være et avgjørende skritt på veien mot en mer mangfoldig og bærekraftig blå økonomi i Norge.

Referanser

Berg PR, Star B, Pampoulie C, Sodeland M, Barth JMI, Knudsen H, Jakobsen KS, Jentoft S (2016). Three chromosomal rearrangements promote genomic divergence between migratory and stationary ecotypes of Atlantic cod. Scientific Reports 6: 23246 https://doi.org/10.1038/srep23246

Blasiak, R., R. Wynberg, K. Grorud-Colvert, S. Thambisetty, et al. 2020. The Ocean Genome: Conservation and the Fair, Equitable and Sustainable Use of Marine Genetic Resources. Washington, DC: World Resources Institute. www.oceanpanel.org/blue-papers/ocean-genome-conservation-andfair-equitable-and-sustainable-use-marine-genetic

Matschiner M, Barth JMI, Tørresen OK, Star B, Baalsrud HT, Briuec MSO, Pampoulie C, Bradbury I, Jakobsen KS, Jentoft S (2021) Origin and fate of supergenes in Atlantic cod. Biorxiv doi: https://doi.org/10.1101/2021.02.28.433253

Karlsson, S., Diserud, O.H., Fiske, P., Kjetil Hindar. Widespread genetic introgression of escaped farmed Atlantic salmon in wild salmon populations, ICES Journal of Marine Science, 2017: 73 (10):2488–2498, https://doi.org/10.1093/icesjms/fsw121

Kelley JL, Brown AP, Therkildsen NO, Foote AD. The life aquatic: advances in marine vertebrate genomics. Nat Rev Genet. 2016: 17(9):523-34. https://doi.org/10.1038/nrg.2016.66