Отказ от выращивания неустойчивых к вредителям растений можно приравнять к запрету устойчивых ГМ-сортов

Метод получения растений, устойчивых к вредителю Совке хлопковой для биологов давно не является чем-то диковинным, он уже позволил разработать невосприимчивые к данному вредителю сорта сои, кукурузы, картофеля, хлопка и других культур. Однако, сегодня учёные настоятельно рекомендуют не отказываться от выращивания неустойчивых сортов и в некоторых странах эти рекомендации приняты в качестве обязательного к исполнению правила выращивания устойчивых растений на государственном уровне. Под катом вы можете узнать о причинах введения данного на первый взгляд странного правила и, как обычно, много сопутствующих интересных фактов.

Раскрывшиеся коробочки хлопчатника. Красиво, правда?

У фермера есть большое количество естественных врагов, будь то засуха, наводнения или вредители. И если бороться со стихией пока проблематично, то с развитием генетики и генной инженерии появились простые в использовании способы создания растений, устойчивых к некоторым гербицидам, грибковым инфекциям и вредителям.

Кто виноват?

Можно без преувеличения сказать, что прожорливая гусеница Совки хлопковой — это настоящая заноза в трудолюбивой филейной части фермеров по всему миру. Она наносит значительный ущерб посадкам хлопчатника, томатов, кукурузы и табака, а также угрожает плантациям сои, гороха, тыквы и кабачков.

На рисунке слева — взрослая особь совки хлопковой; справа — повреждённые гусеницей совки хлопковой плоды томатов.

Традиционным методом борьбы с вредителями являются инсектициды, то есть «яды против насекомых». Данный метод имеет слабое место — инсектициды вредны не только для насекомых, но и для многих других животных, в том числе для млекопитающих. Кроме того, инсектициды не всегда избирательны по отношению к вредителям, поэтому их применение может оказывать негативный эффект на популяции безвредных или даже полезных насекомых. Однако, ближе к концу XX века появилось элегантное решение данной экологической проблемы — учёные научились создавать устойчивые к поедающим их насекомым сорта культурных растений с помощью генной инженерии.

Методика получения устойчивых к Совке хлопковой растений основана на генетической модификации, в ходе которой в геном нужного нам культурного растений встраивается один из вариантов cry-гена белкового δ-токсина ^[1] (читается, как «дельта-токсин»), который синтезируется бактерией Bacillus thuringiensis ^[2] в процессе формирования спор.

Трёхмерная структура N-концевого домена δ-токсина.

Если быть точным, то находящийся в спорах δ-токсин опасности для насекомых не представляет, он просто хранится до нужного момента в виде белковых кристаллов. То есть по сути в спорах находится неактивная форма — протоксин. Но после того, как спора попадает в кишечник вредителя начинается самое интересное:

1. Сначала присутствующие в кишечнике щелочные значения рН (около 10) приводят к растворению белковых кристаллов;
2. Затем ферменты пищеварительной системы разрезают безвредный протоксин таким образом, что один из его фрагментов получает способность взаимодействовать с рецепторами, которые находятся на эпителиальных клетках кишечника;
3. Взаимодействие с рецептором приводит к ещё одному изменению, но на этот раз изменяется только пространственная структура (конформация) взаимодействующего с рецептором фрагмента. Получившийся белок — это и есть активный токсин;
4. Наконец, изменение конформации приводит к тому, что токсин начинает образовывать катионные каналы в эпителиальных клетках кишечника.

При этом в нормальных условиях клетки тщательно контролируют концентрации ионов в своей цитоплазме, ведь даже незначительное нарушение ионного баланса может самым печальным образом сказаться на жизнеспособности. К сожалению для насекомого, δ-токсиновый катионный канал достаточно силён для того, чтобы устроить у него в кишечнике настоящий геноцид эпителиальных клеток. В свою очередь разрушение стенок кишечника открывает бактериям путь в богатую питательными веществами гемолимфу насекомого, где они делают своё чёрное дело (гемолимфа — это аналог крови у насекомых и некоторых других животных).

Гусеница совки хлопковой прогрызает дырку в коробочке хлопчатника. Прощай, урожай.

Растения, в геном которых встроен ген δ-токсина обозначают, используя приставку «Bt-» в честь бактерии Bacillus thuringiensis, в которой токсин был найден. Впервые данный механизм устойчивости был успешно применён бельгийской компанией «Plant Genetic Systems» в 1985 году (впоследствии она была приобретена «Годзиллой биотехнологии» Bayer CropScience) в процессе создания невосприимчивого к вредителю Bt-табака, а первым допущенным на рынок США пищевым растением с встроенным геном δ-токсина был сорт Bt-картофеля «Newleaf», разработанный другой «Годзиллой биотехнологического рынка» — компанией Monsanto: ему дали «зелёный свет» в 1995 году.

Однако, начинание Monsanto вскоре постигла неудача: сначала крупные потребители вроде McDonald's и Wendy's отказались от закупок Bt-картофеля, ссылаясь на потребительский скепсис, а в 2000 году крупнейшие североамериканские производители картошки-фри дружно решили бойкотировать данное сырьё на своих производствах. Последний гвоздь к крышку гроба «Newleaf» вбили японцы: они наотрез отказались импортировать Bt-картошку, а когда выяснили, что при производстве уже импортированных из США в страну Восходящего солнца снэков был использован Bt-картофель они потребовали отозвать полностью весь отгруженный товар. В итоге в 2001 году Monsanto решило отказаться от дальнейшего продвижения сорта «Newleaf» и сосредоточиться на генноинженерных пшенице, кукурузе, сое и хлопке и тут надо отдать им должное: сейчас более 90% от общего количества выращенной в США сои являются генноинженерными. Для кукурузы цифра немного скромнее, но также даёт повод порадоваться за производителей — более 60% от общего урожая.

Bt-хлопок также не обделён популярностью — он выращивается в колоссальных количествах, например, в США, Бразилии и Китае. Поэтому учёными в последнее время проводятся масштабные исследования влияния его массовых посадок на окружающую среду. Больше всего в данной области преуспели, естественно, американцы. Китайцы только начинают развивать у себя методики экологического контроля, а Бразилия по этим показателям плетётся в хвосте прогресса.

Американцы первыми стали уделять внимание неожиданной проблеме: оказалось, что история с резистентными по отношению к антибиотикам бактериями начинает повторяться с совкой хлопковой. Если поле засажено неустойчивыми посадками, то доля резистентных к δ-токсину насекомых не превышает одного процента. Однако, по очевидным причинам, обширные посадки Bt-культур приводят к тому, что восприимчивый к δ-токсину генотип быстро уничтожается, а на смену ему приходит злобная гусеница, которой всё нипочём. Получается, что нет смысла переходить на генетически модифицированные Bt-растения, так как очень скоро поля будут кишеть вредителями, которым δ-токсин не наносит никакого вреда.

Что делать?

В первую очередь следует обратить внимание на тот факт, что существует более десятка cry-генов (напоминаю, что так называют гены δ-токсинов). Разными генами кодируются токсины с отличающимися характеристиками, поэтому устойчивость к δ-токсину, кодируемому геном cry4 не означает автоматическую резистентность вредителя ко всем его остальным типам. Поэтому в США и Австралии сейчас зачастую высаживают Bt-культуры, содержащие минимум два cry-гена. Очевидно, что это не решает проблему супервредителей полностью, но это уж точно замедляет процесс развития устойчивых популяций. Действительно, если устойчивость к каждому из двух токсинов есть у 1 вредителя из 100, то устойчивость к обоим токсинам сразу — только у 1 из 10000.

Однако, есть куда более эффективная методика противодействия появлению популяций устойчивых вредителей. Данная методика, например, используется в США и Австралии, а заключается она в высаживании Bt-сортов вперемешку с немодифицированными сортами. В таких случаях растения без устойчивости к вредителям называют «refuge», что можно перевести с английского, как «зона безопасности». То есть данные растения служат для того, чтобы на полях могли существовать и восприимчивые к токсинам насекомые, они бы при этом спаривались с носителями генов устойчивости и тем самым «разбавляли» их. Тут на руку играет ещё и тот факт, что большая часть невосприимчивых к δ-токсину насекомых имели данную «неуязвимость» благодаря рецессивной гомозиготе.

Краткое пояснение по тому, что такое «рецессивный» и «гомозигота». Сразу предупреждаю, что повествование в этом пояснении является весьма поверхностным, хотя оно даёт очень близкие к истине представления.

Итак, гены находятся в хромосомах. Как мы знаем, у организмов с диплоидным набором хромосом есть N пар гомологичных хромосом (слово «диплоидный» как раз означает, что хромосомы имеют пары). Например, у человека 22 пары аутосом (неполовых хромосом) и одна пара половых хромосом.

23 пары хромосом человека: 22 пары аутосом и 2 типа половых хромосом — X и Y. На паре аутосом, которую условлено считать четвёртой, находятся аллельные гены фермента алкогольдегидрогеназы ^[3], о котором пойдёт речь чуть ниже.

Каждая пара гомологичных аутосом представляет собой длинные двуцепочечные молекулы ДНК, несущих по сути одни и те же гены, вернее, разные формы одних и тех же генов (типы одного и того же гена называются «аллелями» ^[4]), при этом разные аллели могут иметь кардинально различные эффекты на уровне фенотипа ^[5]. Например, каждый человек имеет два аллельных гена фермента алкогольдегидрогеназы (АДГ) (по одному на каждой хромосоме в четвёртой паре хромосом), который катализирует окисление спиртов до альдегидов и кетонов, в том числе и окисление этанола. Но некоторым людям повезло меньше, чем остальным. Так, носители аллелей adh2 и adh3 гена АДГ находятся в группе риска по развитию алкоголизма.

Трёхмерная структура гомодимера алкогольдегидрогеназы, мономеры которого кодируются аллелью гена adh5 во всей своей красе. Слово «гомодимер» означает, что функциональный белок состоит из двух ("-димер") идентичных («гомо-») мономеров.

При этом среди аллельных генов можно выделить доминантные и рецессивные. Доминантность аллели означает, что её присутствие по сути кодирует признак, от гена на гомологичной хромосоме уже ничего не зависит: либо второй ген также доминантный, то есть у организма по сути и выбора нет, либо второй ген рецессивный, а рецессивность как раз означает «подавляемость доминантным геном». Таким образом, проявление рецессивного признака возможно только тогда, когда обе аллели в геноме рецессивные. Доминантные аллели принято обозначать заглавными буквами, а рецессивные прописными. Таким образом, возможно 4 варианта генотипа: АА, Аа, аА, аа. При этом между «Аа» и «аА» разницы по сути нет, так как ген «А» доминирует над геном «а». Генотипы «АА» и «аа» называются гомозиготными, а генотип «Аа» называется гетерозиготным.

Типичная схема закона несцепленного наследования признаков ^[6], впервые задокументированного Грегором Менделем ^[7]. Схема показывает, какое потомство будет у гетерозиготных цветка-мамы и цветка-папы. Аллель «В» доминантная и определяет фиолетовый окрас цветка, аллель «b» рецессивная и определяет белый окрас цветка. В итоге только четверть потомства имеет белый цвет, так как он проявляется только в генотипе «bb».

Итак, как уже было указано выше, в естественных условиях большая часть невосприимцивых к δ-токсину насекомых являются обладателями данного признака благодаря рецессивной гомозиготе (назовём её «dd»). Получается, что если фермер поддерживает популяцию восприимчивых к δ-токсину вредителей за счёт посадок «зон безопасности», то обладатели рецессивных гомозигот «dd» с достаточно высокой вероятностью могут иметь потомство с обладателями беззащитных перед δ-токсином генотипов «Dd» или «DD». При этом одну аллель потомство получает от мамы, а другую от папы, поэтому при скрещивании «dd» x «Dd» только половина потомства будет устойчивой к δ-токсину, а при скрещивании «dd» x «DD» в потомстве вообще не будет устойчивых особей — все они будут гетерозиготами «Dd». Благодаря такой вот нехитрой методике фермеры в США и Австралии удерживают долю невосприимчивых к δ-токсину вредителей в популяции на постоянном невысоком уровне, который обычно не превышает нескольких процентов, а урожайность при этом всё равно выше, чем при использовании только поедаемых совкой хлопковой не-Bt-культур.

Китайцы же пошли по другому пути: они не высаживают Bt- и не-Bt-растения на одном поле, а создают целиком засаженные Bt-хлопчатником поля рядом с полями не-Bt-растений. Эффективность данной методики была проверена в ходе совместного исследования китайских и американских учёных, которое продолжалось с 2010 по 2013 год. Статистика изменения распространённости невосприимчивых к δ-токсину вредителей проводилась на расположенных в Северном Китае сельскохозяйственных угодьях общей площадью более 27 млн гектаров, среди которых было 2,7 млн гектаров Bt-хлопка, а остальные культуры не были носителями генов δ-токсина. Полученные экспериментальным способом цифры сравнивались с крайними ситуациями: выращиванием исключительно Bt-культур и результатами, полученными при использовании американских «зон безопасности». Результаты для ситуации с выращиванием исключительно Bt-культур были получены с помощью математических моделей популяционной генетики ^[8]. Результаты были опубликованы в журнале Nature Biotechnology ^[9].

Результаты совместных исследований эффективности китайского метода борьбы с распространением резистентных к δ-токсину форм вредителей. Точками обозначены плантации, буквами обозначены названия соответствующих китайских провинций. Цвета точек отражают распространённость невосприимчивых к δ-токсину вредителей.

Видно, что в период с 2010 по 2013 год ситуация ухудшилась, а в некоторых регионах уже принимает угрожающий оборот. Если по состоянию на 2010 год в среднем количество невосприимчивых к δ-токсину вредителей составляло чуть меньше 1% от их общего числа, то в 2013 году в некоторых регионах оно уже достигало 12%. В то же время к концу отчётного периода было обнаружено присутствие устойчивых вредителей на тех территориях, которые считались свободными от них в 2010 году. При этом используемая в США методика «зон безопасности» показывает лучшие результаты: за тот же период доля устойчивых вредителей должна была вырасти до значений около 1,1%. Правда стоит отметить, что китайская методика — это гораздо лучше, чем ничего: согласно математической модели при выращивании исключительно Bt-хлопка в 2013 году доля невосприимчивых к δ-токсину вредителей составляла бы уже 98%! А что ещё хуже — на китайских плантациях всё чаще встречаются вредители с доминантными генами резистентности.

Какой из этого можно сделать вывод? Бездумное использование генной инженерии может в весьма и весьма короткие сроки свести на нет все её преимущества и фермеры будут вынуждены возвращаться к инсектицидам. Именно поэтому сегодня учёные активно разрабатывают рациональные методы ведения сопряжённого с генной инженерией сельского хозяйства.

Автор: UJIb9I4AnJIbIrUH

Источник ^[10]