Geneticky modifikované rostliny - proč je potřebujeme a jak je získáváme Doc. RNDr. Jindřich Bříza, CSc. ÚMBR BC AV ČR,v.v.i. & katedra genetiky PřF JU Branišovská 31, 370 05 České Budějovice
GM crops are not the problem, but part of the solution to sustainably feeding 9 billion people. (Professor Giles Oldroyd, Senior Plant Scientist, John Innes Centre, UK) Do roku 2030 je třeba celosvětově zvýšit výrobu potravin nejméně o 50 %, což se nedá zvládnout pouze klasickými šlechtitelskými postupy. Genetické modifikace budou tedy muset být jednou z technologií, jak se s tímto požadavkem úspěšně vyrovnat.
Geneticky modifikovaným organismem (GMO) je podle evropské legislativy každý organismus, s výjimkou člověka, u něhož byl jeho genetický materiál změněn jiným způsobem, než je přirozené křížení či rekombinace. Podle této definice by tam spadaly i organismy vznikající indukovanou chemickou či radiační mutagenezí nebo jinými externími zásahy do genomu (např. mezidruhová hybridizace). Aby tomu tak nebylo, byly takto geneticky modifikované organismy z regulačních pravidel vyňaty. Vznikl tím paradox, kdy organismy s cílenými drobnými změnami genotypu jsou extrémně prověřovány, zatímco organismy, u kterých ani nevíme k jakým změnám genomu a v jakém rozsahu došlo, jsou pěstovány a využívány bez jakékoliv kontroly.
Ve skutečnosti jsou geneticky modifikované všechny v současnosti pěstované plodiny všechny mají jiný (=změněný) genotyp než výchozí plané druhy. Lidé totiž od počátku zemědělství nevědomky genomy pěstovaných plodin měnili (modifikovali) vybírali semena nejzdatnějších rostlin, které však vznikly díky mutacím či křížení s blízkými druhy.
Šlechtění rostlin v neolitu umělý výběr na výsev používána semena z nejlepších rostlin na konci 17. st. (po poznání pohlavnosti rostlin) přibyla druhá metoda křížení ve 20. st. pak mutační šlechtění, využití tkáňových kultur a nakonec genové inženýrství nástroje gen. inženýrství -molekulární mapování (umožňuje přesně sledovat přenos mol. znaku v zastoupení nepřesně sledovatelného znaku např. odolnosti vůči houb. onemocnění) -transgenoze (vnášení klonovaných genů do rostlinného genomu)
Snad nejpozoruhodnějším a nejdramatičtějším činem, který se lidstvu v oblasti genetických změn zemědělských plodin povedl, je transformace plané traviny teosintu do současné moderní kukuřice. Teosint je bohatě větvený, jeho klasy jsou velké jako palec a obsahují zhruba desítku semen s tvrdou slupkou. Stonek kukuřice se naopak nevětví a nese velké palice nabité měkkými zrny.
Analogicky u pšenice.
rýže a dalších plodin.
Transgenoze Na základě charakteru použité DNA lze rozčlenit genetické modifikace na několik typů: i) xenogenní modifikace do rostl. genomu je včleněna syntetická DNA ii) transgenní modifikace do genomu včleněna DNA pocházející z různých často fylogeneticky velmi vzdálených druhů iii) intragenní modifikace do genomu vložen gen pocházející ze stejného rostlinného druhu, ale ostatní sekvence (promotor, terminátor) pocházejí z druhů jiných, ale navzájem křižitelných iv) cisgenní modifikace do genomu integrován gen (kódující sekvence včetně jejich nativních regul. sekvencí) ze stejného druhu nebo druhu křižitelného
Přes legislativní problémy v určitých částech světa plocha GM plodin stále roste, protože přinášejí vyšší zisk pěstitelům a vyšší užitnou hodnotu spotřebitelům.
Drtivá většina v současnosti v praxi využívaných GM plodin nese geny tolerance k herbicidům (HT) nebo geny pro tvorbu δ-endotoxinu z B. thuringiensis (BT).
Z hlediska plodin vede sója následovaná kukuřicí, bavlníkem a řepkou.
Podíl nejrozšířenějších GM plodin na jejich celkové světové produkci:
WHO odhaduje půl milionu otrav pesticidy ročně (zejména v chudých zemích nejsou prostředky na ochranné pomůcky). Kdyby EU užívala 50 % Bt kukuřice, uspořila by 44000 t insekticidů a 20000 t nafty (=73 000 t CO 2 ). Čína a Indie 3 miliony zemědělců (1 2 ha) pěstují Bt plodiny úspora asi 22000 t insekticidů. Příklady: ČÍNA - vyvinula vlastní GM rýži, bavlník, tabák a sóju -zavedení Bt bavlníku snížilo insekticidy o 67% a odstranilo otravy zemědělců INDIE - stoupá potřeba potravin a není k disposici další orná půda -265 MUSD do výroby potravin a zvýšení důvěry veřejnosti v zemědělské biotechnologie -vlastní odrůda bavlníku s lektinem a rýže tolerantní na sucho a sůl, arašídy a cizrna s krátkou vegetační dobou
Bt-kukuřice (zavedena i u nás v roce 2005): Bt toxin z půdní bakterie Bacillus thuringiensis zabijí housenky motýlů a larvy brouků -delta-endotoxin se mění v toxickou látku až ve chvíli, kdy se dostane do střeva hmyzu.
Přednosti pěstování Bt-hybridů kukuřice: stoprocentní odolnost rostliny vůči zavíječi kukuřičnému v průběhu celé vegetace cílená eliminace škodlivých larev zavíječe bez účinku na užitečný hmyz úspora přímých nákladů na pěstování kukuřice (není třeba jakékoli chemické či biologické ošetření) zvýšení skliditelného výnosu (porost není poškozen) podstatně nižší obsah škodlivých mykotoxinů aflatoxinů a fumonisinů (vyberte si mezi mykotoxiny a přesně definovanou a testovanou gen. modifikací)
Rizika geneticky modifikovaných plodin: vznik rezistence možný i u jiné aplikace insekticidů/herbicidů přenos na jiné rostliny - vertikální (vhodnou genetickou modifikací se dá eliminovat) - horizontální (velmi vzácný, ale je třeba studovat dopady) snižování biodiverzity monopol velkých společností Dosud byly prokazatelně dokumentovány škodlivé účinky na člověka či zvířata pouze u potravin vyvinutých konvenčním způsobem. Např. tradičním způsobem byla vyšlechtěna nová odrůda celeru svýznamně zvýšeným obsahem psoralenů (látek zvyšujících citlivost kůže k ultrafialovému záření) scílem odpuzovat hmyz poškozující rostlinu. Při sklizni se u některých pracovníků objevila silná kožní vyrážka.
Způsoby získávání GM rostlin (dva základní): i) využitím přirozeného systému založeném na půdní bakterii Agrobacterium tumefaciens (tzv. nepřímá metoda vnesení transgenu) ii) využitím mikropartikulí zlata či wolframu s navázanou DNA a jejich vnesením do rostlinných buněk tzv. genovým dělem (přímá metoda vnesení transgenu)
První stabilní transformace jádra rostlinné buňky chimérním selekčním genem z bakterií pomocí A. tumefaciens v r. 1983 (geny npti a nptii; Fraley et al., PNAS, 80: 4803-4807), důkaz Ti plasmidu jako vektoru pro vnášení cizorodé DNA do rostlin v r. 1980 (Hernalsteens et al., Nature, 287: 654-656, 1980). První transformace chloroplastů v r. 1988 (Chlamydomonas reinhardtii, Boynton et al., Science, 240: 1534-1538, 1988), u vyšších rostlin (tabák) v r. 1990 (Svab et al., PNAS, 87: 8526-8530, 1990). První transformace mitochondriální DNA v r. 1988 u S. cerevisiae (Johnston et al., Science, 240: 1538-1541, 1988) a je to dosud jediný organismus, jehož mtdna je takto rutinně geneticky manipulována (i když C. reinhardtii statečně náskok dohání; Remacle et al., PNAS, 103: 4771-4176, 2006).
V každém případě je dosažení stabilní transformace rostlin podmíněno úspěšnou realizací tříkroků: 1)vnesením klonované DNA do vhodného cílového pletiva 2)selekcí buněk, které tuto DNA přijaly a integrovaly do svého genomu 3)regenerací rostlin schopných dalšího množení nebo pohlavního rozmnožování i) Agrobacterium tumefaciens Bakterie A. tumefaciens má přirozenou schopnost vnášet část vlastní dědičné informace (tzv. T-DNA) do genomu rostlin. Tím do ní vnáší své vlastní geny.
Na rostlině vzniká nádor, jehož buňky díky genům bakteriálního původu produkují zvláštní látky, které slouží bakteriím jako zdroj energie, uhlíku i dusíku. Metodami genového inženýrství lze bakterie A. tumefaciens upravit tak, že si plně uchovají schopnost přenosu genů do rostlinného genomu, ale přenášejí takto geny, které jim do dědičné informace podstrčil člověk.
ii) Biolistika Lze transformovat jadernou DNA, vyvinuta však hlavně pro transformaci plastidové DNA (ptdna) případně mitochodriální DNA (mtdna).
Příklady z naší laboratoře: locika zahradní
Příklady z naší laboratoře: brambor
Příklady z naší laboratoře: rajče
Příklady z naší laboratoře: rododendron
Příklady z naší laboratoře: tabák (chloroplastový transformant)
Přicházející GM plodiny: i) kukuřice s genem pro fytázu (Čína) podstatná část fosforu ve zralých obilovinách a olejninách je obsažena ve formě fytátu; vzhledem k tomu, že monogastrická zvířata mají málo střevní fytázy, je jejich využití fosforu z obilovin a olejnin omezené a fytát, který není zvířaty využit, je vylučován v hnoji a způsobuje problémy se znečištěním prostředí; kyselina fytová dále může snížit biologickou dostupnost dalších prvků Ca a Zn ii) kukuřice se sníženým obsahem fytátu v semeni (USA, Pioneer Hi-Bred International) iii) Bt rýže se zvýšenou rezistencí vůči zavíječům (Čína) iv) SmartStax kukuřice (Monsanto, v EU od října 2013) nese 8 různých transgenů (2 pro rezistenci k glyfosátu resp. glufosinátu) a 6 genů BT směrovaných proti různým živočišným škůdcům
v) kukuřice se zvýšenou odolností vůči suchu (Monsanto); tržní zavedení 2012 vi) geny zlepšující nutriční vlastnosti plodin sója se zvýšeným obsahem kyseliny stearidonové (Monsanto), která je stabilnější než rybí tuk a v lidském či zvířecím těle je konvertována na polynenasycené 3-ω mastné kyseliny s příznivým účinkem na vaskulární systém vii) zlatá rýže 2 s velmi vysokým obsahem β- karoténu zavedena 2012
Perspektivní GM plodiny: i) rajčata s genem Bs2 z papriky pro rezistenci vůči Xanthomonas sp. v polních podmínkách ii) rajčata rezistentní vůči Phytophtora infestans s geny rezistence z planých druhů rajčat iii) rajčata se zvýšenou odolností k bakteriálním chorobám (vč. Ralstonia solanacearum) s genem efr z Arabidopsis iv) banánovník je nyní devastován chorobou sigatoga způsobovanou houbou Mycosphaerella fijiensis téměř veškerá světová produkce banánů je tvořena extrémně citlivou odrůdou Cavendish; žádný GM rezistentní banánovník ještě není hotov, ale několik nadějných postupů je testováno
Perspektivní GM plodiny: v) rajčata s výrazně vyšším (3x) obsahem antioxidantů (antokyanů a flavonolů) díky expresi dvou genů pro transkripční faktory z hledíku (purple tomato)
Perspektivní GM plodiny: vi) zvýšení účinnosti příjmu N rostlinami k omezení hnojení a znečišťování povrchových i spodních vod alaninaminotransferasa je slibným kandidátem; v delším horizontu je žádoucí vytvořit GM plodin se schopností vytvořit symbiotický vztah s dusík fixujícími bakteriemi leguminóz vii) zavedení rezistence vůči rzi trávní (Puccinia graminis) do pšenice; geny rezistence jsou dostupné v planých druzích, ze kterých budou klonovány a vneseny do kultivarů pšenice
Důvody využití GM plodin umožní nutné zvýšení světové produkce potravin přes pokles rozlohy obdělávatelné půdy umožní produkci potravin na půdách dosud pro zemědělskou produkci nevhodných (sucho, zasolení) redukují environmentální dopady rostlinné zemědělské výroby snižováním počtu pesticidních ošetření a tím snižováním potřeby fosilních paliv na jednotku produkce redukují spotřebu paliv díky aplikaci úspornějších metod obdělávání půdy zlepšují nutriční hodnotu potravin a krmiv zlepšují vlastnosti surovin pro průmyslové využití umožní zvýšit produkci rostl. hmoty jakožto obnovitelného zdroje energie
Přesto: Plochy oseté geneticky modifikovanou (GM) kukuřicí v ČR letos klesly. Bt kukuřice odolná proti zavíječi se v r. 2012 v tuzemsku pěstovala na výměře 3000 až 3500 hektarů. V r. 2011 pěstební plocha mírně převýšila 5000 ha. Pokles pěstování GM plodin je současným trendem v celé EU. Důvodem jsou ve veřejnosti živené a vědecky nepodložené obavy z pěstování GMO. Zemědělce od pěstování GM plodin dále odrazuje i speciální administrativa a právní rámec spolu se striktními pravidly pro jejich označování a nakládání s nimi.