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 (читается, как «дельта-токсин»), который синтезируется бактерией Bacillus thuringiensis 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:
- Сначала присутствующие в кишечнике щелочные значения рН (около 10) приводят к растворению белковых кристаллов;
- 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;
- 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;
- 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, 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»), при этом разные аллели могут иметь кардинально различные эффекты на уровне фенотипа. 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, впервые задокументированного Грегором Менделем. 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. Результаты были опубликованы в журнале Nature Biotechnology.
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.
Источник
