GMO jako alternativa k používání chemických pesticidů

09. 10. 2023 Doc. RNDr. Jaroslava Ovesná, CSc.; Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i. Praha-Ruzyně Osivo a sadba Zobrazeno 1179x

Škůdci a choroby rostlin snižují kvalitu a kvantitu rostlinné produkce. V dnešní době se používají k ochraně rostlin před škodlivými organizmy chemické pesticidy, které představují zátěž pro životní prostředí i lidské zdraví. Vědecká komunita a spotřebitelé volají po snížení jejich spotřeby.

Legislativa

V důsledku toho v říjnu 2016 přijaly Evropský parlament a Rada nařízení (EU) 2016/2031 o ochranných opatřeních proti šíření rostlinným škůdcům („Plant Health Law“). Cílem nových pravidel je modernizovat rostlinolékařský režim a posílit účinnější opatření na ochranu rostlin na území Unie. Cílem pravidel je také zajistit bezpečný obchod (zdraví osiva) a zmírnit dopady změny klimatu a pohybu škůdců na zdraví plodin. Nová legislativa poskytuje pěstitelům a zemědělcům lepší nástroje pro ochranu produkce a větší podporu v boji proti škůdcům. Politika „EU Green Deal“ navíc zavazuje členské státy ke snížení spotřeby škodlivých látek, včetně pesticidů, bez kterých je často velmi obtížné se obejít.

V rámci politiky EU se předpokládá další podpora IPM (Integrative Pest Management = Integrovaná ochrana rostlin proti škodlivým organizmům) jako uživatelsky přívětivý přístup k prevenci a řešení zamoření škodlivými organizmy. Jedná se o široký rozsah opatření od včasné identifikace škodlivého organizmu, k čemuž mohou přispívat SMART technologie, které jsou řešeny v projektu SMARTPROTECT evropského projektu, konsorciem zahrnujícím i VÚRV (stránky databáze dostupných technologií v českém jazyce viz www.platform.smartprotect-h2020.eu/cs) přes využívání vhodných agrotechnických opatření až po výběr správných odrůd plodin, odolných vůči ataku škodlivých organizmů (např. projekt H2020 Bresov (https://bresov.eu/) také se zapojením VÚRV, v.v.i.

Vývoj odrůd odolných vůči škodlivým organizmům: tradice

Odrůdy odolné vůči škodlivým organizmům jsou farmáři vysoce žádané. Rezistentní odrůdy jsou často používány jako nedílná součást udržitelného rozvoje zemědělství. Je známo, že moderní odrůdy ztratily kvůli selekci řadu vlastností včetně odolnosti vůči škodlivým organizmům a jen díky úsilí šlechtitelů se některé ještě udržují, ale řada z nich se vyskytuje v tzv. sekundárním šlechtitelském poolu. Ty je možné využívat pomocí tradičních šlechtitelských postupů. Jedná se však o zdlouhavý proces trvající desítky let. Je potřeba přenést geny do vysoce vyvážených výkonných genotypů moderních odrůd a stabilizace je velice zdlouhavá.

Je známo, že když se rostliny kříží, mnoho nežádoucích vlastností se přenese spolu s vlastnostmi, které nás zajímají. Příkladem může být vývoj sladovnické odrůdy ječmene Malvaz, která byla částečně odolná vůči viru žluté zakrslosti ječmene. Vznikla s využitím etiopských genotypů, stabilizace odrůdy trvala přes 20 let a pro některé přetrvávající negativní vlastnosti nebyla využita pro další šlechtění.

V současné době mohou pomoci tzv. molekulární markéry, které usnadňují výběr žádaných genotypů. Jedná se o fragmenty DNA, který jsou spojeny s určitou vlastností svého nositele a lze je v genomu každé rostliny určit. V současné době již existují rychlé metody pro jejich využívání. Ani využití markérů nezabrání nežádoucím vazbám a interakcím genomu.

Jiným příkladem jsou odrůdy vzniklé mutagenezí. Mutageneze se používá již od 20. let minulého století. Navozuje novou variabilitu, která se v přírodě nevyskytuje. V současné době je ve světě registrováno přes dva a půl tisíce odrůd plodin vzniklých mutagenezí. Řada z nich je odolná vůči škodlivým organizmům. Většinou byla využita radiace, která také ovlivňuje celistvost genomu, proto opět následuje pečlivá selekce a křížení. Jak tedy lze postupovat rychleji?

Možnost využití geneticky modifikovaných organizmů

V 60. letech minulého století byla dobře popsána funkce DNA u mikroorganizmů a objevily se metody, které umožňovaly její přenos mezi mikroorganizmy. Posléze se vědci začali zajímat i o možnost přenosu genů do rostlin. Bylo zjištěno, že půdní bakterie Agrobacterium dokáže přenést svoji genetickou informaci do genomu rostlin a ta pak produkuje látky sloužící pro jejich výživu. Pak se ukázalo, že tento úsek genetické informace lze téměř celý nahradit geny, které pocházejí z jiných organizmů a propůjčují pak rostlinám unikátní vlastnosti.

Odolnost vůči škodlivému hmyzu

Je třeba připomenout, že počátky tohoto výzkumu pocházejí z Evropy, kde již v polovině 80. let minulého století vznikla společnost Plant Genetic System. Paralelně se rozvíjely metody přímého přenosu genů pomocí chemických nebo fyzikálních stimulů. Kromě studia významu jednotlivých genů se velice rychle vědci zaměřili na praktické aplikace. Ty se zdály téměř nedozírné.

Jedním z prvních počinů, které se uplatnily v oblasti ochrany rostlin, byl návrh a tvorba odrůd odolných vůči hmyzím škůdcům. Vědci převzali gen z bakterie Bacillus thuringiensis. Bacillus thuringiensis je grampozitivní půdní bakterie. Je aerobní a produkuje spory. Ty obsahují toxiny (δ-endotoxiny, také označované jako Cry), které mají insekticidní účinky na některé skupiny hmyzu. Užívají se k produkci pesticidů (např. Dipel, Thuricide). Vědci gen pro δ-endotoxin upravili tak, aby ho rostlina uměla přečíst a sama si δ-endotoxiny vyráběla. Gen a jeho odlišné varianty byly vneseny postupně do několika plodin. Jedná se o tzv. Bt-plodiny. Ty jsou pro savce neškodné stejně jako pro další necílové organizmy.

První plodinou povolenou pro pěstování byla transgenní brambora odolná vůči mandelince bramborové. Byla uvolněna na trh v Kanadě již v roce 1989. Největšího rozmachu však dosáhla geneticky modifikovaná kukuřice. Při jejím správném využití dokáže ochránit porosty vůči zavíječi kukuřičnému a dalším škůdcům díky kombinacím odlišných δ-endotoxinů. Samotné δ-endotoxiny jsou v různých kmenech variabilní a mohou působit proti různým škůdcům.

Kombinace více typů δ-endotoxinů se využívá k zajištění trvalejší odolnosti. Takové odrůdy jsou ve světě velmi oblíbené, avšak v EU se používá pouze kukuřice MON810, a to jen ve Španělsku a Portugalsku. I když pěstování bylo také u nás dobře nastartováno, pravidla koexistence a podmínky trhu její pěstování v ČR zcela utlumily.

Výhodou těchto plodin je i nižší napadení fytopatogenními houbami. Protože škůdci méně napadají Bt-rostliny, houby je pak špatně kolonizují. To je příznivé nejen pro potravinářský a krmivářský průmysl, ale dokonce i pro výrobce bioplynu. Kromě Bt-kukuřice se ve světě pěstují transgenní Bt-bavlna nebo rýže. Bt-bavlník je nejčastějším typem bavlny, který se ve světě pěstuje. Dalšími známými rozšířenými plodinami tohoto jsou Bt-lilek vyvinutý v Indii. Připomeňme ještě komerčně používané Bt-plodiny jako vigna čínská, sója, topoly, cukrová řepa a dokonce rajče. Podle ISAAA - The International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications - pěstování Bt-plodin ve světě setrvale narůstá.

Takové plodiny, které jsou odolné vůči hmyzím škůdcům, spadají např. v USA mezi přípravky na ochranu rostlin a jako s takovými s nimi musí být zacházeno. Proto, aby neselhala jejich odolnost, musí být dodržována určitá pravidla. Mezi faktory, které budou podporovat trvalou citlivost škůdců k Bt-plodinám, patří hojná útočiště hostitelských rostlin bez Bt nebo recesivní dědičnost rezistence. Tyto poznatky mohou pomoci zvýšit udržitelnost současných a budoucích transgenních insekticidních plodin. Je např. potřeba pole obsévat náchylnými odrůdami, aby se množili i náchylní škůdci. Na porostech totiž dochází k selekci odolných jedinců. K této situaci došlo např. v Indii při pěstování Bt-bavlníků. Také se na porostech Bt-plodiny začali množit jiní, ještě obtížnější škůdci. Proto je třeba dodržovat pravidla doporučená pro pěstování takových plodin. Situaci i řeší šlechtitelé odrůd a kombinují různé geny odolnosti získané z B. thuringiensis.

Bt-plodiny jsou ve světě pěstovány na rozsáhlých plochách a jejich využití roste. Příkladem může být USA, kde výměra Bt-kukuřice vzrostla z přibližně 8 % v roce 1997 na 19 % v roce 2000, než se vyšplhala na 84 % v roce 2022. Rozšířila se také výměra Bt-bavlny z 15 % výměry bavlny v USA v roce 1997 na 37 % v roce 2001 a do roku 2022 vzrostla výměra až na 89 %. Lze předpokládat, že pěstování Bt-odrůd se bude rozšiřovat.

Z grafu 1 lze vyčíst, že nejvíce rozšířenou geneticky modifikovanou plodinou je sója, převážně herbicid rezistentní, následovaná kukuřicí a bavlníkem, které jsou převážně odolné vůči škůdcům. Graf 2 ukazuje nárůst pěstování geneticky modifikované kukuřice v procentech  z celkové oseté výměry v USA. Je zřejmé, že odolnost vůči škůdcům je zásadní a žádaná je i kombinace s odolností vůči herbicidům (podle USDA). V grafu 3 je vidět nárůst pěstování geneticky modifikovaného bavlníku v procentech z celkové oseté výměry v USA. I u této plodiny je odolnost vůči škůdcům podstatná a žádaná je i kombinace s odolností proti herbicidům (podle USDA).

Graf 1: Plocha geneticky modifikovaných plodin v letech 2007 až 2019

Graf 2: Rozšíření geneticky modifikované kukuřice v USA podle znaků (2000–2022)

Graf 3: Rozšíření geneticky modifikovaného bavlníku v USA podle znaků (2000–2022)

Odolnost vůči virovým chorobám

Virové choroby mohou být pro rostlinnou výrobu stejně limitující. I v těchto případech se vyhledávají geny rezistence ve stávajících zdrojích odolnosti, ať již se jedná o primární, sekundární či terciární gen. Ty je možné šlechtěním či transgenozí přenést do žádaného genetického pozadí. Počet geneticky modifikovaných rostlin rezistentních vůči virům značně vzrostl od doby, kdy se v 80. letech minulého století objevily důkazy, které ukazují, že geny z virů lze použít k modifikaci rostlin, které pak těmto virům odolávají.

První rostlinou byl tabák odolný vůči viru viru tabákové mozaiky (TMV) tvořícího gen obalového proteinu (CP = coat protein) několika rostlinných virů. Obalový protein pak nedovolí vybalit virům svoji DNA či RNA a množit se. Zjištění z konce 90. let minulého století, že lze umlčovat aktivitu rostlinných genů i dalšími způsoby, dále rozšířilo použití genetického inženýrství pro kontrolu rostlinných virů v porostech.

První komerčně produkovanou geneticky modifikovanou plodinou byla tykev odolná vůči virům žluté mozaiky cukety (ZYMV) a viru mozaiky vodního melounu (WMV).

Velmi známá je transgenní papája s rezistencí vůči viru PRSV (Papaya Ringspot Virus). Tento virus přenášený mšicemi byl limitujícím faktorem produkce papáje. V letech 1992–1996 způsobil pokles úrody papáji na Havaji o 40 %. Kvůli tomu byla vytvořena transgenní odrůda s produkcí plášťového proteinu tohoto viru. A od roku 1998 se na Havaji započalo s komerčním pěstováním dvou geneticky modifikovaných kultivarů (Rainbow a Sun-up) rezistentních vůči PRSV. Takové odrůdy umožnily zachovat produkci této plodiny na Havaji, která zásobuje celé USA, Japonsko a Kanadu. Pěstování odrůd s touto modifikací se rozšířilo i do asijských zemí, odkud se dovážejí do EU jako nepovolená plodina.

Dalšími příklady jsou fazole, brambory s rezistencí vůči několika virům, paprika nebo rajče. Nemůžeme zapomenout ani transgenní švestku, která se testovala v EU a naposledy ve VÚRV Praha-Ruzyně. Švestka je odolná vůči šarce švestky. Významné mohou být podobné modifikace u zelenin, u kterých je integrace transgenů poměrně snadná.

Odolnost vůči fytopatogenním houbám a bakteriím

Významná je i odolnost vůči fytopatogenním houbám a bakteriím. Pokroky v molekulárních a genomických studiích nabídly účinné a přesné pochopení interakcí rostlina-mikrobi. Tyto studie také vrhly světlo na klíčové složky obranných mechanizmů rostlin a vedly k objevu genů rezistence a citlivosti, antimikrobiálních proteinů a obranných signálních molekul.

I v tomto případě byly objeveny mechanizmy, které potlačují růst hub a bakterií. Byly identifikovány odpovídající proteiny a jejich geny. Geny enzymů degradujících buněčnou stěnu hub, jako je chitináza a glukanáza, se často používají k produkci transgenních plodin odolných vůči plísním. Ty po úpravě a v nesení do rostlin mohou podmiňovat jejich rezistenci. Transgenní rostliny odolné vůči houbovým a bakteriálním chorobám nejsou komerčně rozšířeny tak jako další typy GMO. Odolnost je často podmíněna více geny a není snadné ji navodit.

Legislativní překážky i možné změny

Ač mají pro farmáře transgenní rostliny řadu výhod a ukazuje se, že zvyšují výnosy i kvalitu produkce, v EU je není možné pěstovat, kvůli stávajícím legislativním opatřením a vyhodnocováním možných rizik pro životní prostředí. Řadě zemí EU se navíc spotřebitelé kloní spíše k organické produkci než rostlinné výrobě založené na biotechnologických plodinách.

Novou nadějí je tak pro EU možnost použití tzv. nových šlechtitelských technik zejména v očekávání změn evropské legislativy.

Nové techniky ve šlechtění - cílená mutagenese

Na počátku tohoto tisíciletí byly objeveny mechanizmy, které umožnily cíleně upravovat genetickou informaci pomocí enzymů, které slouží bakteriím jako obranný mechanizmus. Jsou schopné degradovat cizí DNA, která by vnikla do buňky a ohrožovala ji. Cizí DNA je rozstříhána na kousky. Byly tak objeveny tzv. molekulární nůžky.

Díky spojení s dalšími mechanizmy je dnes možné navozovat nové mutace, lze vyřadit z činnosti některé geny nebo i vnést delší úseky, podobně jako je tomu u GMO. Technologie používané pro úpravu genů fungují jako nůžky, stříhají DNA na konkrétním místě a poté odebírají, přidávají nebo nahrazují známé sekvence DNA, v místě, kde byl střih proveden.

Předností tohoto postupu je možnost zacílit na přesné místo v genomu a tam podle požadavků upravit genetickou informaci. Nejpoužívanější metodou je v současné době tzv. CRISPR-Cas. Díky technologii CRISPR můžeme ovlivnit konkrétní místo v DNA, zavést jedinou, přesně cílenou mutaci a budeme přesně vědět, jaký efekt změna přinese.

Ve vědecké literatuře je dnes popsána řada rostlin s editovaným genomem, které jsou odolné vůči chorobám. Je otázkou, za jak dlouho budou široce využívány v praktickém zemědělství. Příkladů užití metody CRISPR je celá paleta.

Vědci z University ve Wageningen letos např. oznámili použití technologii editace genů k vývoji rostlin brambor odolných vůči plísni bramborové. Jedná se o chorobu, která způsobila „Velký hladomor“, při níž neúroda brambor v polovině 19. století vedla v Irsku k milionu úmrtí v důsledku hladomoru a stále stojí zemědělce ročně 3–10 miliard eur ve ztrátě výnosů a výdajích na ošetření pozemků.

Kromě samotného editování rostlinného genomu se diskutuje i editace populací hmyzu. Vyvíjejí se technologie, které pomocí editace mění zastoupení některých genů důležitých pro životnost dané populace. Využívá se technologie tzv. genového tahu (gene drive). Jedná se o proces, při němž se v populaci jakéhokoliv organizmu rychle rozšíří potřebné geny, které speciálně naprogramují. Takové geny se pak šíří v dané populaci rychleji než podle pravidel Mendelistické genetiky. V důsledku takového naprogramování se sníží četnost takové populace. Negativní dopad škůdců na důležité plodiny podnítil rostoucí zájem o použití genetických technik, včetně tzv. genových tahů (gene drive), k regulaci těchto organizmů.

Příkladem mohou být aktivity odborníků ze Státní univerzity v Severní Karolíně. Ti vyvinuli systém genového tahu (gene drive) založený na CRISPR, který by mohl eliminovat populace octových mušek (Drosophila suzukii), které napadají drobné ovoce s jemnou slupkou po celém světě. Pomocí matematického modelování vědci předpověděli, že vypuštění pouze jedné editované octomilky na každé čtyři nemodifikované by mohlo potlačit populace mušek během osmi až deseti generací. Obdobné koncepty byly uveřejněny i pro další druhy škodlivého hmyzu v sadech, skladištích i prodejnách.

Z několika málo uvedených příkladů je zřejmé, že editované organizmy mohou mít vysoký potenciál a snížit vstupy nežádoucích pesticidů, tj. insekticidů nebo fungicidů do rostlinné výroby a současně ponechat vysoký potenciál produkce jakožto takové.

Naděje pro všechny

V EU zatím pro GMO i editované rostliny a živočichy platí právní rámec, který dovoluje jejich využití až po pečlivém prozkoumání možných dopadů na zdraví člověka a životní prostředí. Očekává se však brzká změna legislativy, která by umožnila rychlejší využití produktů editace genů v rámci EU.