Появление новых сорняков

По определению, даваемому энциклопедическими словарями, сорняки (сорные растения) – это растения, произрастание которых на определенных участках нежелательно. Нежелательное действие сорняков может проявляться в ухудшении условий выращивания культурных растений, снижении их урожая или его качества. Сорняки могут быть ядовитыми растениями, бесполезными и т.д. Сорняками могут быть дикие растения (травянистые и древесные, а также водоросли), которые проникают на возделываемые поля или другие используемые человеком территории (сенокосы, пастбища, зеленые насаждения, придорожные полосы, взлетно-посадочные полосы аэродромов, стадионы, водные каналы и многие другие). Сорняками могут стать и культурные растения, которые каким-либо образом попадают в посевы другой, основной, культуры и приводят к снижению массы или качества ее урожая. Чаще всего дичают растения-предшественники, выращивавшиеся на поле в предыдущую вегетацию.

С экологической, природоохранной точки зрения, сорняками также можно считать любые растения, не свойственные данному биоценозу, которые, конкурируя с эндемичными видами, способствуют сокращению их численности и исчезновению с данной территории. Как частный случай проявления сорных характеристик в естественных биоценозах, затрагивающий и экономические интересы человека, может рассматриваться проникновение быстрорастущих древесных растений из древесных промышленных насаждений в природный или восстанавливаемый высокопродуктивный лес. Например, сорными могут быть некоторые виды тополя (Populus, включая осину P. tremula), березы (Betula), клена (Acer), выращиваемые для переработки на целлюлозу. Имея преимущества в скорости роста и развития, они подавляют рост сеянцев или саженцев многих ценных медленно растущих деревьев, постепенно засоряя лес и снижая его продуктивность.

Характерные признаки сорных растений перечислены в так называемом «Листе Бейкера» (Таблица 3.1.). Даже одного из приведенных в этом списке признаков достаточно, чтобы предоставить растению дополнительные экологические преимущества и позволить ему успешно конкурировать с другими (основными) видами растений. Как правило, сорные растения обладают одновременно несколькими признаками из этого перечня. Эти признаки способствуют реализации одной из двух основных стратегий сохранения и распространения потенциальных сорных растений в окружающей среде, или позволяют им использовать обе стратегии сразу.

Первая стратегия – выживаемость. Она проявляется в способности растений сохраняться в агросреде или природной среде даже в случае направленной борьбы с ними и препятствовать росту основной культуры или последующих культур (в случае сохранения растений предшествующей культуры). Одно из проявлений выживаемости – способность растениями формировать так называемый «банк семян». «Банк семян» - это набухшие семена, которые, не теряя жизнеспособности, могут сохраняться в почве на протяжении нескольких сезонов вегетации, иногда в течение многих лет. На небольшом участке, прилегающем к обрабатываемому полю, в почве в виде «банка семян» может одновременно находиться до 30 сорных видов растений, способных стать источниками засорения полей при благоприятных условиях и при отсутствии конкуренции со стороны уже растущих сорняков. Отсутствие конкуренции обеспечивается самим человеком в ходе борьбы с сорняками, уже растущими на полях.

Вторая стратегия – инвазивность. Она представляет собой способность сорных растений быстро распространяться в окружающей среде, осваивать новые места обитания, включая не только окультуренные участки, но и природные экосистемы. После выхода за пределы возделываемых участков, одичавшие культурные растения в первую очередь будут захватывать территории, прилегающие к окультуренным участкам, или участкам, периодически используемым человеком. Однако существует вероятность проникновения новых видов в дикие и даже охраняемые экосистемы.

Инвазивность является более опасной стратегией как для сельскохозяйственного производства, так и сохранения первозданных природных ландшафтов. В первом случае инвазивность может стать источником как первичного, так и вторичного засорения (возвращение сорняка на поле через некоторое время после его уничтожения). Во втором случае она может привести к изменениям в сложившихся природных популяциях и экосистемах. Не следует забывать, что растительные сообщества являются местом обитания и основанием пищевой пирамиды для животных и микроорганизмов, включая почвообразующих. Появление нового, быстро размножающегося вида способно привести к каскадным и иногда необратимым последствиям для отдельных популяций и экосистемы в целом.

Селекция, направленная на увеличение семенной продуктивности теоретически может повысить агрессивность растений в качестве сорняков. Однако признаки, определяющие потенциальную урожайность (увеличение количества семян или их массы), как правило, имеют полигенную природу и не являются объектом приложения генетической инженерии, так как генно-инженерной модификации доступны в основном признаки, контролируемые одним или немногими генами.

Практически любая генетическая модификация, направленная на повышение адаптивных свойств растений – устойчивости к абиотическим стрессам (холоду, засухе, засолению почв, гербицидам) или биологическим стрессовым факторам (вредителям, болезням) – способна предоставить ГМО новые экологические преимущества по сравнению с исходными видами или природными популяциями. Она делает их способными значительно превысить обычные (естественные) лимиты популяционного роста. Адаптивные преимущества могут быть связаны и с изменением некоторых агрономических показателей, например ускорением развития растения на стадии проростка или более быстрым созреванием семян и плодов.

Трансгенные признаки, направленные на изменение биохимических показателей, на первый взгляд, кажутся более безобидными. Однако и они, за счет совместного или каскадного действия генов, или в результате приобретения ГМО нового биохимического статуса могут в конечном итоге привести к нежелательному популяционному росту. Например, улучшение качества крахмала клубней картофеля (трансгенный картофель с безамилозным крахмалом) содействует повышению их холодостойкости и, как следствие, дает клубням шанс успешной перезимовки в поле, что может стать проблемой на полях стран с относительно мягкими зимами. Превращение в сорняк подсолнечника (Helianthus annus L.) в южных районах России и Украины связано с селекцией (традиционной!) этой теплолюбивой, по сути тропической, культуры как на устойчивость к холоду, так и на повышение маслянистости семян. Теоретически не только увеличение маслянистости, но и изменение биохимических показателей синтезируемых растениями масел может предоставить семенам дополнительное преимущество как на стадии покоя (перезимовка), так и на стадии прорастания: ускорить темпы прорастания или расширить возможности их прорастания в неблагоприятных условиях.

Генно-инженерная модификация может способствовать появлению свойств сорняков у растений, ранее не обладавших такими свойствами. Появление названных признаков вероятнее всего будет связано с повышением адаптивных характеристик семян этих растений (расширение условий среды, в которых возможно прорастание, изменение периода покоя и более длительное сохранение жизнеспособности семян). Генно-инженерная модификация может также сказаться на повышении агрессивности растений вида, уже являющегося потенциальным сорняком, может усилить агрессивность аборигенного вида. На территории Беларуси к таким видам относятся, например, вика (Vica sativa L.), клевер белый и клевер луговой (Trifolium repens L.и T. pratense L.), люцерна (Medicago sativa L.), некоторые древесные культуры, например, тополь черный или осокорь (Populus nigra), осина (P.tremula). Сорняком может стать интродуцированный вид, который не являлся таковым в стране интродуцирования, например, картофель или подсолнечник, но которые относятся к сорнякам в стране происхождения. Поэтому при планировании генно-инженерной модификации видов, которые уже являются потенциальными сорняками или имеют родственные виды-сорняки в природе, надо проявлять максимальную осторожность.

В тоже время существуют виды, которые в силу своей экзотичности и крайней доместикации не могут представлять реальной опасности при любой адаптивной модификации. Для Беларуси такими видами являются соя (Glicine max L. Merr.) и кукуруза (Zea mays L.).

Ярким примером потенциально сорного растения является рапс масличный (Brassica napus L.). Он обладает пятью из приведенных выше двенадцати признаков растений-сорняков. Это типичный представитель хозяйственно важных растений, способных уменьшать урожай и качество урожая следующих за ним сельскохозяйственных культур, например зерновых. Рапс является одновременно ценной масличной культурой и ценным сидератом, включаемым в севооборот с зерновыми и зернобобовыми культурами и позволяющим за счет быстрого роста очищать поля от сорняков. Усилению этого свойства помогает генно-инженерная модификация, делающая растения рапса толерантными к гербицидам. В настоящее время устойчивость к гербицидам и улучшение биохимических свойств масла – основные направления генно-инженерных модификаций этой сельскохозяйственной культуры. Трансгенный рапс, толерантный к гербицидам, входит в четверку основных трансгенных культур (после сои, кукурузы и хлопчатника), на его долю приходится более 1/5 площадей, занятых в мире под этой культурой.

Как показал опыт выращивания толерантного к гербицидам рапса в западных регионах Канады и исследования, проведенные в США, трансгенная устойчивость к гербицидам может нести потенциальную угрозу повышения его агрессивности. До недавнего времени казалось несложным контролировать агрессивность рапса как на полях, так и на участках временного использования или защитных полосах (границах полей, придорожных полосах и др.) путем применения гербицида, по отношению к которому у растений устойчивость отсутствует. Однако уже доказано явление обмена трансгенами устойчивости к гербицидам между различными линиями ГМ-рапса. Обнаружены формы, обладающие всеми используемыми такими трансгенами, что делает выращивание гербицидоустойчивого рапса в качестве сидерата экономически невыгодным – вместо культуры, помогающей бороться с сорняками, в результате межсортовой гибридизации получился суперсорняк (в англоязычной терминологии - superweed), только осложнивший жизнь фермерам.

Рапс масличный считается самоопыляющейся культурой, что должно служить целям предупреждения нежелательной спонтанной гибридизации, однако более 10% семян рапса способны формироваться в результате перекрестного опыления. Как показали специально проведенные эксперименты в Канаде и в Великобритании с участием трансгенного рапса сортов Roundup Ready (толерантный к глифосату) и Liberty Link (толерантный к глюфозинату), стандартного расстояния для изоляции различных генотипов в 40 метров может оказаться недостаточно. В эксперименте, проведенном на 11 изолированных полях, был зафиксирован перенос генов (пыльцы) на расстояние до 800 метров. Поэтому рекомендуется увеличить стандартные изоляционные расстояния для полей с трансгенными сортами, хотя вероятность попадания трансгена за пределы стандартного расстояния и не превышает 0.2% при изоляции от 50 до 400 метров.

Кроме переноса трансгенов между сортами в пределах одного вида в некоторых случаях, гораздо более редких, но, тем не менее, вполне вероятных, возможен перенос трансгенов к диким представителям того же вида, что и трансгенный сорт, а также диким или культурным представителям родственного вида растений. Более подробно проблема интрогрессии трансгенов в дикие популяции будет рассмотрена ниже. Здесь же, в связи с агрессивностью растений-сорняков следует отметить повышенную опасность переноса адаптивных генов, в том числе генов толерантности к гербицидам, диким родственным видам.

Культурные растения, прошли длинный путь селекции в условиях агрокультуры и постоянной заботы человека. Они стали более урожайными и приобрели массу других ценных для человека качеств. Но в условиях человеческого протекционизма они стали менее жизнестойкими по сравнению со своими дикими предками и сородичами (подверглись так называемому «прессингу доместикации»). Как правило, дикие сородичи культурных растений обладают более высокой экологической стабильностью, повышенным, по сравнению с культурными родственниками, иммунитетом к различным заболеваниям. То есть, дикие сородичи культурных растений изначально более экологически конкурентоспособны. Появление у них дополнительных адаптивных генов (трансгенов), позволяющих изменить конкурентные взаимоотношения с другими видами экосистемы, способны значительно повысить их инвазивность и/или выживаемость и привести к резкому популяционному росту.

Если такие растения являются сорняками агрокультуры, появление у них нового адаптивного гена (устойчивость к гербициду, вредителям) может сделать малоэффективным химический или биологический методы борьбы с ними и превратить такие растения в трудно управляемый источник засорения агросреды - суперсорняк. Сохранение трансгена в природной популяции (за пределами агросреды) сделает проблему борьбы с суперсорняком не только дорогостоящей, но и долговременной за счет вторичного засорения полей. Поэтому выявление, учет и изучение характеристик сорняков (выживаемость, инвазивность) возможных кандидатов на спонтанную гибридизацию с трансгенными растениями является одним из основных вопросов анализа экологических рисков, связанных с высвобождением трансгенных растений. В настоящее время, например, прекращены генно-инженерные работы в отношении культурного сорго (Sorghum bicolor L. Moench.). Основание - доказанное образование жизнеспособных гибридов при спонтанной гибридизации культурного сорго с одним из наиболее опасных сорных растений, широко распространенным практически во всех тропических и субтропических регионах планеты, сорго алеппским (S. halepense), известным в мире под именем «Джонсонграсс», а также с рядом других сорных видов сорго, произрастающих в тропиках.

Несмотря на достаточно высокую теоретическую вероятность повышения инвазивности растений в связи с переносом адаптивных трансгенов в природные экосистемы, экспериментальные данные, как правило, не подтверждают теоретические выкладки. Это связано со сложностью самого процесса проникновения нового объекта в сложившуюся экосистему, являющуюся достаточно стабильным образованием. Инвазивность может проявиться только по истечении довольно большого времени (при условии высокой выживаемости нового вида) и/ или, при многочисленных случаях интродукции. При соблюдении севооборота и сортосмены эти условия выполняться не могут. Поэтому первоначально выдвинутые опасения, как правило, оказываются преувеличенными. Кроме того, некоторые важные модификации, прежде всего толерантность к гербицидам, вообще не дают преимуществ за пределами агросреды, где гербициды не применяются. А гербицидоустойчивые растения составляют сегодня подавляющее большинство среди растительных ГМО. В 2009 году они занимали 62% площади всех выращиваемых в мире ГМО. Мониторинг за уровнем инвазивности в природные экосистемы трансгенных толерантных к гербицидам сортов рапса, картофеля, сахарной свеклы и кукурузы, проводившийся в течение 10 лет в 12 различных местах обитания, не выявил у них каких-либо инвазивных преимуществ по сравнению с сортами, полученными традиционными методами. В случае рапса уровень инвазивности трансгенных линий, был даже ниже, чем у традиционных сортов.

3.4.2. Оценка агрессивности растений-сорняков

Наиболее важные проблемы, которые подлежат обсуждению при оценке вероятной агрессивности вида как сорняка, – оценка потенциала ГМО по неконтролируемому росту численности, возможности самостоятельно осваивать новые территории, вытеснять или подавлять эндемичные или хозяйственно важных популяции других организмов.

Начинают оценку с анализа информации о биологических особенностях реципиентного организма. Ответ на вопросы этого блока позволит очертить возможный круг воздействий ГМО, зависящих от таксономического статуса организма-реципиента, определить потенциальные характеристики ГМО, исходя из уже известных биологических особенностей исходных организмов, их поведения в окружающей среде. Полная информация об особенностях организма-реципиента одинаково необходима как для оценки агрессивности, так и для любого другого риска неблагоприятных воздействий ГМО на окружающую среду и здоровье человека.

Во втором блоке вопросов, относящихся к характеру генно-инженерной модификации, наиболее существенны следующие: описание встроенного в геном (плазмон) реципиентного организма фрагмента ДНК (источник и предполагаемая функция каждого составного элемента встроенной ДНК, регуляторные и другие элементы, влияющие на функционирование трансгенов); присутствие в структуре ДНК известных потенциально опасных последовательностей, функциональное соответствие встроенного фрагмента ДНК; наличие во встроенной ДНК каких-либо неизвестных последовательностей).

В третьем блоке вопросов, относящихся к биологическим особенностям ГМО наиболее важна оценка новых признаков, связанных с трансгенозом. Это описание генетических признаков и фенотипических характеристик, связанных с адаптивными свойствами организма, в особенности новых признаков и характеристик, которые стали проявляться или перестали проявляться у ГМО по сравнению с реципиентным организмом; генетическая стабильность ГМО; степень и уровень экспрессии трансгена (или трансгенов); история прежних генно-инженерных модификаций.

Информация в отношении принимающей среды (четвертый блок вопросов), которая может повлиять на принятие решения о допустимости использования ГМО, включает сведения о географическом положении участка, где будет осуществляться высвобождение; описание участка: размер и обработанность, климатическая, геологическая и почвоведческая характеристика, флора и фауна; методы вмешательства в природу участка (методы культивации, ирригации и т.п.). Сравнение мест естественного обитания реципиентных организмов с предполагаемым местом высвобождения ГМО позволит более точно прогнозировать поведение ГМО в окружающей среде и выделить факторы неопределенности, на которые следует обратить внимание, если предполагаемое место обитания ГМО имеет какие-либо особенные характеристики, не свойственные местам обитания реципиентных организмов. Более строгое отношение к оценке характеристик ГМО и возможных последствий его высвобождения определяет близость к заповедникам, заказникам и другим природоохранным объектам и территориям.

Если достоверную и полную информацию по перечисленным блокам можно получить на основе данных литературы, документов, исследований ГМО в условиях изоляции, то сведения о взаимодействии ГМО с окружающей средой, почерпнутые из таких источников не всегда оказываются достаточными и столь же доступными. В данном случае при принятии решения о высвобождении ГМО может сыграть опыт, приобретенный при анализе последствий предыдущих высвобождений подобного рода ГМО или высвобождений похожих ГМО в сходных условиях окружающей среды. Однако такой опыт не способен угнаться за прогрессом в области биотехнологии. Быстрое расширение географии высвобождения ГМО и увеличение количества живых объектов, доступных генно-инженерным модификациям и увеличение разнообразия модификаций требует все новых знаний, которые можно добыть только опытным путем. Это лабораторные тесты, ограниченные полевые испытания, результаты долгосрочных наблюдений за ГМО, уже получивших статус сорта и использующихся на значительных территориях достаточно длительное время.

При оценке выживаемости и возможной инвазивности ГМО, вероятности появления нежелательного агрессивного поведения по отношении к другим организмам экосистемы можно опираться на уже имеющиеся данные о реципиентном организме, характере модификации, ГМО, принимающей среде. Оцениваются биологические особенности ГМО, которые могут оказывать влияние на выживаемость, размножение и распространение в потенциальной принимающей среде (сравниваются имеющиеся данные по реципиентному организму и ГМО). Учитываются известные пути рассеивания ГМО в потенциальной принимающей среде, известные или возможные способы взаимодействия с рассеивающими агентами (вода, ветер, насекомые, рассеивание посредством вдыхания, заглатывания, поверхностного контакта, проникновения в поры и так далее) и известные и прогнозируемые условия потенциальной принимающей среды, которые могут оказывать влияние на выживаемость, размножение, рассеивание ГМО.

Очевидно, что данные этой оценки будут нести скорее характер прогноза, а более достоверные сведения появятся только в ходе специальных экспериментов и наблюдений. Только опытным путем и путем долгосрочных наблюдений можно выявить все, или почти все потенциально возможные взаимодействия ГМО с окружающей средой. В частности, только экспериментальным путем или в результате длительных наблюдений можно точно оценить вероятность сдвига в характере взаимоотношений ГМО с другими организмами, изменение ими круга хозяев, конкурентное преимущество ГМО по сравнению с исходным организмом, проявления у ГМО в потенциальной принимающей среде нежелательных свойств, признаков или резкого увеличения численности.

На рис. 3.1. приведена схема анализа определения вероятности возникновения и оценки уровня сорной активности трансгенных растений (выживаемость и инвазивность), используемый Агентством по охране окружающей среды США (US EPA). В основе экспериментальной части оценки использован так называемый «тест на замещение популяций». Тестирование проводится по двум показателям: 1) уровню замещения одной популяции другой (соотношение по уровню прорастания семян и выживания особей в популяциях); 2) уровню сохранения семенами жизнеспособности в «банке семян» (насколько способны к будущему прорастанию семена, не взошедшие первоначально по каким-либо причинам, то есть составляющие «банк семян»). Первый показатель характеризует как возможности популяции к сохранению, так и к распространению в окружающем пространстве. Второй показатель позволяет оценить возможности сохранения популяции в неблагоприятных для прорастания семян и развития сеянцев условиях среды и ее возобновления в случае гибели растущих растений. Банк семян является важнейшим источником вторичного засорения.

Уровень проведения теста – стандартный (полный), или сокращенный - выбирается экспертом на основе имеющихся данных об инвазивных способностях реципиентного организма. Если такие способности достаточно высоки, проводят полный тест на нескольких участках в различных возможных местах обитания тестируемого образца, включая участки в пределах агросреды и в природных экосистемах. При невысоком потенциале агрессивности реципиентного организма как сорняка, ограничиваются сокращенной схемой эксперимента в пределах агрозоны. Количество и разнообразие экспериментальных участков будет зависеть также от того, насколько широк и разнообразен по условиям произрастания ареал предполагаемого использования ГМО.

Эксперимент позволяет сравнить возможности сохранения в естественных условиях популяций трансгенных растений и их нетрансгенного аналога. В случае, если коэффициент замещения популяции трансгенного растения выше, чем у его аналога, можно прогнозировать возрастающую агрессивность ГМО в качестве сорного растения и его способность к проникновению в природные экосистемы. Показатель жизнеспособности банка семян дает возможность оценить перспективы по управлению риском инвазивности трансгенных растений и уточнить агротехнические мероприятия при необходимости очистки территории от остатков ГМО. Очевидно, если показатель жизнеспособности семенного банка высок, то работа по уничтожению трансгенных растений на участке может оказаться весьма трудоемкой. При высокой жизнеспособности банка семян повышаются возможности по выживанию популяции в неблагоприятных условиях, что дает им дополнительные экологические преимущества.

Если потенциал трансгенного растения по замещению популяции выше, чем у исходного аналога, то проводится дополнительный эксперимент по оценке его агрессивности в качестве сорняка, в ходе которого определяют, как сказывается совместное произрастание на основной популяции, эффективность различных методов борьбы с сорной популяцией. На основе эксперимента даются рекомендации о целесообразности коммерческого использования ГМО и по его менеджменту.