научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ВT-РАСТЕНИЙ НА ПОЧВЕННУЮ БИОТУ И ПЛЕЙОТРОПНЫЙ ЭФФЕКТ -ЭНДОТОКСИН-КОДИРУЮЩИХ ГЕНОВ Биология

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ВT-РАСТЕНИЙ НА ПОЧВЕННУЮ БИОТУ И ПЛЕЙОТРОПНЫЙ ЭФФЕКТ -ЭНДОТОКСИН-КОДИРУЮЩИХ ГЕНОВ»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2008, том 55, № 6, с. 823-833

= ОБЗОРЫ

УДК 581.1:591.23:595.142.39:632.937

ВЛИЯНИЕ Bt-РАСТЕНИЙ НА ПОЧВЕННУЮ БИОТУ И ПЛЕЙОТРОПНЫЙ ЭФФЕКТ S-ЭНДОТОКСИН-КОДИРУЮЩИХ ГЕНОВ

© 2008 г. А. Г. Викторов

Институт проблем экологии и эволюции им. АН. Северцова Российской академии наук, Москва

Поступила в редакцию 12.05.2008 г.

Обзор работ, на основании которых сделано заключение об экологической безопасности трансгенных растений, показал, что в ряде случаев использованные методики и тест-объекты не были адекватны поставленным задачам. Результатом широкого применения трансгенных Bt-растений может стать долгосрочное негативное воздействие на окружающую среду. Во-первых, их культивирование приводит к накоплению Bt-токсинов в почве; во-вторых, разложение трансгенных растений происходит значительно медленнее, нежели изогенных линий; в-третьих, биологическая активность почв под трансгенными растениями ниже, чем на контрольных участках. 5-Эндотоксин-коди-рующие гены, пересаженные в геном сельскохозяйственных культур, оказывают одновременное влияние на несколько совершенно различных признаков генетически модифицированных растений, т.е. имеют плейотропный эффект. Результатом этого возникает парадоксальная ситуация: культуры, выведенные методами генетической инженерии устойчивыми к вредителям из одного отряда насекомых (Lepidoptera), оказываются более привлекательными для вредителей из другого отряда (Homoptera).

Ключевые слова: Bt-растения - воздействие на окружающую среду - плейотропный эффект.

ВВЕДЕНИЕ

Bt-растениями называют генетически модифицированные растения, содержащие 5-эндотоксин-кодирующие гены грам-положительной аэробной спорообразующей бактерии Bacillus thuringiensis. 5-Эндотоксины - многочисленный класс белков, убивающих личинки насекомых разных отрядов: CryI и CryIIB токсичны для отряда Чешуекрылых (Lepidoptera); CryIIA - для Lepidoptera и Двукрылых (Diptera); CryIII - для Жескокрылых (Coleoptera); и четыре вида CryIV белков - для Двукрылых (Diptera). Препараты, содержащие смесь клеток, спор и параспоральных кристаллов (локализованные рядом со спорой) 5-эндотоксинов стали пионерами биологической борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур: первый промышленный инсектицид "Sporein", содержащий Bt-токсин, был создан во Франции в 1938 г. С тех пор этот класс инсектицидов считается одним из наиболее экологически безопасных средств защиты растений, так как он токсичен для теплокровных животных лишь в концентрациях в несколько тысяч раз превышающих дозы, используемые при обработке агроценозов.

Адрес для корреспонденции: Викторов Александр Георгиевич. 119071 Москва, Ленинский проспект, д. 33. Институт проблем экологии и эволюции PÄH. Электронная почта: aleviktorov@yandex.ru

В настоящее время промышленно выращивают около тридцати сельскохозяйственных Bt-культур. В этот список входит кукуруза (Zea mays L.), хлопчатник (Gossypium hirsutum L.), картофель (Solanum tubersoum L.), особый сорт рапса Brassica napus L. "канола" (canola - от can[ada] o[il]J[ow] a[cid] - канадское слабокислое масло), рис (Oryza sativa L.), брокколи (Brassica oleracea L. var. cymosa), арахис (Arachis hypogea L.), баклажан (Solanum melonge-na L.), табак (Nicotiana tabacum L.) и т.д. Большинство сортов трансгенной кукурузы содержат ген, кодирующий белок Cry 1 Ab и защищающий их от опасного вредителя - личинок кукурузного (стеблевого) мотылька Ostrinia nubilalis Hbn (Lepidoptera: Pyralidae). По оценке Агентства по защите окружающей среды США (US EPA), только использование Bt-зерновых культур в США приводит к ежегодному сокращению применения синтетических инсектицидов на площади примерно 3 млн. га. Это приводит к экономии инсектицидов на сумму около 2.7 млрд. долларов США [1]. Увеличивается использование Bt-культур во всем мире. В 2004 г. общая площадь их плантаций занимала 15.6 млн. га, из них около 11.2 млн. га приходилось на долю генетически модифицированной кукурузы [2]. В 2007 г. площадь посевов трансгенных культур, вырабатывающих Cry-белки, увеличилась почти в два раза: так, только в Индии и Китае плантации Bt-хлопчат-ника занимали в совокупности 10 млн. га [3].

Однако есть и обратная сторона медали. Все больше данных говорит о том, что использование Bt-растений не всегда эффективно против вредителей, а их выращивание может иметь долгосрочное негативное воздействие на окружающую среду, экономический ущерб которого пока даже трудно оценить [4-6]. Во-первых, Bt-кукуруза производит в 1500-2000 раз больше эндотоксина, нежели его распыляют при однократной обработке полей химикатами типа DIPEL, содержащими Bt-токсин. Во-вторых, разложение трансгенных растений происходит значительно медленнее, нежели генетически немодифицированных линий. И, наконец, культивирование Bt-кукурузы приводит к накоплению Bt-токсинов в почве, а биологическая активность почв под трансгенными растениями заметно ниже, чем на контрольных участках.

ТКАНЕВАЯ И ВРЕМЕННАЯ СПЕЦИФИЧНОСТЬ СИНТЕЗА Bt-ТОКСИНА

Широкое применение трансгенных растений со временем преподнесло их разработчикам и пользователям довольно неприятный сюрприз. Выяснилось, что ряд Bt-культур в одиночку не справляются с вредными насекомыми, против которых они были выведены. Так, например, Bt-хлопчатник (Bollgard® в США, Ingard(r) в Австралии, Monsanto Co., St. Louis, MO) показывает высокую эффективность против табачной огневки Heliothis virescens и хлопковой моли Pectinophora gossypiella. Однако для того, чтобы ограничивать численность хлопковых совок Spodoptera frugiper-da, S. exigua, Helicoverpa zea, H. armigera и H. punc-tigera, во многих случаях оказалось необходимым дополнительное применение таких инсектицидов, как пиретроиды, карбаматы и даже фосфорорга-нические соединения [7]. Кроме того, ряд наблюдений свидетельствовал о том, что гусеницы хлопковых совок значительно чаще встречались на семенных коробочках, нежели на прицветниках и листьях [8].

Изучению этого феномена была посвящена целая серия работ. Так, исследование содержания эндотоксина CrylAc в различных тканях хлопчатника (Bollgard® 531 на основе сорта Coker 312) в течение всего вегетационного сезона показало, что содержание эндотоксина в верхушечных листьях и тканях плода варьировало очень сильно. Среднее содержание эндотоксина в тканях плода падало с 57.1 мкг/г сухого веса у растения 53-дневного возраста до 6.7 мкг/г сухого веса у 116-дневного хлопчатника. В еще большей степени снижались концентрации эндотоксина в верхушечных листьях: от 163.4 до 34.5 мкг/г сухого веса соответственно. Значительные различия наблюдались в одних и тех же тканях у растений, произраставших в разных частях поля. Это говорит о

том, что окружающая среда может оказывать влияние на синтез CrylAc или их стабильность. Тем не менее, активность CrylAc белков в верхушечных листьях всегда была выше, чем в тканях плода [9].

Исследования других сортов Bt-хлопчатника -GK19 (несущего Cry1Ac/Cry1Ab химерный ген) и BG1560 (несущего обычный Cry1Ac ген) - выявили еще более сложную картину варьирования интенсивности синтеза эндотоксина во времени: содержание Cry-белков находилось на высоком уровне на ранних и поздних стадиях развития хлопчатника и снижалось в середине вегетационного сезона. Однако во всех случаях содержание эндотоксина в листьях, лепестках и тычинках было существенно выше, чем в семяпочках и семенных коробочках. Интересным представляется и то обстоятельство, что синтез CrylAc/CrylAb химерного белка в линии GK19 был подвержен более высокой изменчивости в течение всего вегетационного сезона по сравнению с линией BG1560 [10].

В Индии фермеры предпочитают трансгенный хлопчатник с большой продолжительностью жизни и поздним созреванием (Bollgard-MECH-162, Bollgard-RCH-2 и Bollgard-RCH-20), так как, по сравнению с другими гибридами (Bollgard-MECH-12, Bollgard-MECH-184, Bollgard-RCH-134, Bollgard-RCH-138, Bollgard-RCH-144), они имеют большие коробочки и лучшее качество волокна. Однако именно у сортов с более высокими потребительскими качествами в более раннем возрасте снижается уровень синтеза Cry-белков, что заставляет, во избежание экономического ущерба, применять инсектициды [11].

У трансгенной кукурузы (Bt11) наиболее интенсивный синтез Cry-белков происходит в тканях листьев. В период физиологической зрелости растения концентрация Bt-токсина держалась в них на уровне 3.3 мкг/г сырого веса. Пик экспрессии бактериального гена в тканях листа приходился на 25-й день жизни кукурузы - 168 нг/мг белка. Однако со временем этот показатель снижался и уже на 84-й день составлял лишь 10.2 нг/мг белка. Уровень синтеза Cry-белков в других тканях кукурузы в период ее зрелости варьирует от 0.4 ppm в кочерыжке початка до 16.2 нг/мг в зерне, при модальном значении для большинства других тканей, равном 6 нг/мг [12]. Кроме того, модифицировать экспрессию бактериального гена могут многие факторы окружающей среды, такие например, как температура и влажность, содержание азота и концентрация в атмосфере углекислого газа. Так, к уменьшению синтеза Cry-белков у Bt-хлопчатника приводит как дефицит N, так и повышение концентрации CO2 [13]. Напротив, увеличение количества вносимых N-содержащих удобрений приводит к увеличе-

нию синтеза Bt-эндотоксина на 14% [14]. Повышение температуры окружающей среды до 37°С приводит к существенному снижению содержания Cry 1 Ac белков в растениях хлопчатника на стадии семенных коробочек [15]. Существенно снижает уровень синтеза Bt-эндотоксина как дефицит, так и избыток Н2О, однако степень этого снижения зависит от уровня влажности и конкретного органа растения [16]. Очевидно, что синтез Cry-белков тесно связан с метаболизмом азота, а на содержание Bt-эндотоксина могут также сильно влиять процессы деградации и ремоби-лизации. Тем не менее, далеко не все факторы окружающей среды приводят к уменьшению содержания Bt-эндотоксина в тканях трансгенных растений. Так, например, засоление почв до 100 мМ NaCl не приводит к значимым изменениям в содержании Cry-белков в Bt-хлопчатнике при сравнении опытного и контрольного вариантов [17].

Падение ур

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком