Появление живых организмов, резистентных или толерантных к продуктам трансгенов

Насекомые-вредители, сорняки и болезни являются основным источником потерь в сельскохозяйственном производстве во всем мире. Поэтому селекция на резистентность или толерантность к болезням и вредителям во все времена являлась одним из основных направлений селекции сельскохозяйственных культур. Одновременно разрабатывались и продолжают разрабатываться различные искусственные средства защиты растений, как правило, химические (инсектициды, гербициды, фунгициды), использование которых обуславливает появление массы новых проблем. Кроме негативного влияния на здоровье людей и попадание в пищевые продукты, происходит накопление остатков пестицидов, прежде всего гербицидов, в почве, загрязнение грунтовых и поверхностных вод, снижение биологического разнообразия вследствие нецелевого отравляющего влияния на полезных и нейтральных насекомых и животных, включая млекопитающих, птиц и рыб. С использованием химикатов связывают и появление устойчивости к ним вредителей. Создание трансгенных сельскохозяйственных растений с пестицидными свойствами и толерантностью к гербицидам позволяет одновременно повысить урожай и его сохранность и решить, хотя бы частично, проблемы, связанные с химизацией сельского и лесного хозяйства.

Практика показывает, что появление устойчивых к вредителям и патогенам новых сортов и использование новых химических препаратов защиты растений сопровождается обратным процессом адаптации к ним патогенов. Адаптация основана на генетических изменениях в популяции под действием факторов окружающей среды, основным из которых является воздействие пестицида или растения с пестицидными свойствами. В результате такой адаптации популяция патогена может выживать, несмотря на селекционный прессинг, вызываемый пестицидом или устойчивостью растения к патогену. Как правило, контроль численности таких обретших резистентность популяций патогена проводить гораздо сложнее и обходится он дороже, чем контроль исходных популяций. В худших случаях вредители могут совершенно выйти из-под контроля.

Существование большого числа различных резистентных к пестицидам вредителей связано с активным использованием химикатов, создавших необычайный селекционный прессинг, ускоривший эволюционный процесс развития устойчивости. Этот процесс продолжается и носит глобальный характер. Так, первый случай толерантности к гербициду был зафиксирован в 60-х годах прошлого века. А в 90-х было уже известно 84 случая устойчивости сорняков, по крайней мере, к одному из гербицидов и описаны случаи комплексной устойчивости к широкому спектру гербицидов среди сорняков пшеничных полей в Австралии.

С 60-х годов прошлого века ведет свою историю и появление устойчивости к фунгицидам среди патогенных грибов. В 80-х годах было известно уже о более ста видах патогенных грибов, развивших устойчивость к одному и более фунгицидам.

На примере насекомых-вредителей наиболее ярко прослеживается процесс приобретения и развития устойчивости к пестицидам. За последние несколько десятков лет различные формы устойчивости приобрели более 530 видов насекомых. Объясняется это тем, что насекомые используют разнообразные адаптационные стратегии развития устойчивости. Они могут приспосабливать свое пищеварение к безопасному перевариванию вторичных токсичных метаболитов растений-хозяев или развить механизм детоксикации или нейтрализации токсина. У них может появиться новое пищевое поведение, они могут сменить свои пищевые предпочтения или полностью перейти на питание новым видом растения.

Использование трансгенных растений имеет более короткую историю по сравнению с химизацией сельского хозяйства. Массовое коммерческое использование трансгенных растений, толерантных к гербицидам или несущих Bt-устойчивость к насекомым-вредителям, приходится на начало 90-х годов прошлого века. Но мы уже имеем пример приобретения комплексной устойчивости к гербицидам у трансгенного рапса и передачу такой устойчивости нетрансгенным сортам. Как растение предшествующей культуры рапс с комплексной устойчивостью к гербицидам сам может представлять немалую проблему для контроля над сорняками при выращивании последующей за ним культуры. Однако вероятность интрогрессии генов гербицидоустойчивости к его диким сорным сородичам усугубляет проблему развития устойчивости к гербицидам при участии этой трансгенной культуры.

Этот пример показывает один из путей появления у диких сорных или культурных растений устойчивости к гербицидам – миграцию генов. Второй путь – эволюционная адаптация популяций сорняков на фоне загрязнения их мест обитания гербицидами. Предполагается, что выращивание трансгенных растений, устойчивых к гербицидам может привести к неполному расходу реагента. Присутствие в почве гербицида в малых концентрациях, в целом продолжая подавлять популяцию сорных растений, может не препятствовать выживанию генотипов, обладающих частичной толерантностью к гербициду, и тем самым послужить фактором отбора на устойчивость к этому препарату.

Пока что не зафиксировано случаев приобретения насекомыми устойчивости к коммерческим сортам Bt-растений. Однако известен случай приобретения устойчивости к распыляемому препарату на основе Bacillus thuringiensis одним из основных вредителей крестоцветных культур капустной молью (Plutella xylostella L.). В лабораторном эксперименте было показано, что устойчивые к Bt-токсину популяции Plutella xylostella могут нормально развиваться и на Bt-трансгенных растениях рапса.

В отличие от быстро разрушающихся на свету бактериальных препаратов Bt-протеина, постоянно действующие в течение сезона летальные или полулетальные дозы Bt-токсинов трансгенных растений обеспечивают более длительный и сильный селекционный прессинг на популяцию вредителя, что может стать источником ускорения процесса приобретения или закрепления у него устойчивости. В настоящее время известны пятнадцать видов насекомых, развивших устойчивость к бактериальным распыляемым препаратам Bt-токсинов. Поэтому уже сейчас стоит подумать о мерах, которые могут уменьшить потенциальную адаптацию вредителей к трансгенным растениям с Bt-устойчивостью.

Развитие резистентности у вредителей (насекомых, сорняков, болезнетворных грибов и микроорганизмов) к новым токсинам имеет генетическую основу и происходит под влиянием селективного фактора действия пестицида и других условий окружающей среды, которые, как правило, известны исходя из данных об организме-реципиенте трансгенного признака, характера модификации, особенностей ГМО и условий принимающей среды. Все это дает основание рассматривать управление этим фактором риска как вполне реальный и осуществимый процесс. Под управлением фактором риска «развитие резистентности», или как принято называть этот процесс в мире, «менеджментом резистентности», понимают процесс приведения развития резистентности в популяциях вредителя в определенно допустимое русло.

Как показывает история использования пестицидов и множества научных исследований в области менеджмента резистентности, полностью исключить постепенную адаптацию к пестицидам практически невозможно. Поэтому вопрос стоит не об абсолютном предотвращении процесса адаптации, а о его максимальном замедлении и уменьшении его вредоносного эффекта. Основные усилия направляются на регулирование факторов, которые могут оказывать влияние на развитие резистентности. В настоящее время в мире используются пять ключевых стратегий, на которых в той или иной степени основаны все предлагаемые программы менеджмента развития резистентности (таб.3.4.).

Первая стратегия получила название стратегии гена. Она нацелена на уничтожение гетерозиготных особей, появившихся в результате скрещивания чувствительных и резистентных особей из популяции вредителя. Согласно теории полурецессивного характера резистентности насекомых, устойчивость особей варьирует в зависимости от количества аллелей резистентности у каждого из индивидуумов. В соответствии с этой моделью гетерозиготные резистентные особи, получившиеся от скрещивания чувствительных и резистентных, имеют промежуточный характер устойчивости и могут выжить только при минимальной экспозиции токсина. Увеличение токсического эффекта до критической отметки, убивающей всех гетерозиготных особей способно радикальным образом снижать вероятность возникновения резистентной популяции. В настоящий момент наиболее надежным средством реализации этой стратегии является получение трансгенных растений, в которых экспрессия Bt-генов была бы достаточной для уничтожения гетерозиготных особей на протяжении всего периода вегетации растения. Другие стратегии гена включают совместное или каскадное действие разных генов Bt-токсичности, или использование разных механизмов достижения летальности вредителя в одном растении.

Вторая стратегия заключается в периодической или полной замене источника токсичности или комбинировании источников токсичности (смена фактора селективного прессинга). Очевидно, что смертность в популяции, вызванная различными причинами (в результате одновременного действия разных механизмов воздействия токсинов) будет препятствовать адаптации. Комбинация таких причин может быть достигнута разными способами, которые используют как при традиционных способах обработки пестицидами, так и при выращивании трансгенных растений.

Первый способ – использование комбинации двух или более токсинов по очереди или одновременно. В настоящее время кроме ряда генно-инженерных модификаций Bt-токсичности (разных генов cry от Bacillus thuringiensis), которые уже сами по себе предоставляют возможность для комбинирования, предлагается ряд других источников токсичности различного происхождения (табл. 3.3.). Эффект может достигаться смешением при посадке семян, принадлежащих различным генетическим линиям, использованием гибридов между линиями, экспрессирующими различные токсины, или сменой линий в севобороте, созданием ГМ-линий, содержащих нескольких разных генов токсичности, которые могут действовать одновременно, или один за другим (стратегия гена). Наибольшее распространение эта стратегия получила в создании гибридов (в частности, гибридов кукурузы) между трансгенными линиями, несущими разные гены Bt-токсичности.

При разработке мультилокусных модификаций устойчивости отдают предпочтение комбинированию Bt-генов, как наиболее целенаправленных в отношении мишени действия, и, следовательно, наиболее безопасных с точки зрения нецелевого влияния на организмы-немишени. Однако в ближайшем будущем, очевидно, Bt-гены будут комбинироваться с другими источниками токсичности более широкого спектра действия в выборе мишени, но обладающими иными механизмами обеспечения токсического действия. Связано это с тем, что некоторые насекомые-вредители, например капустная моль (Plutella zylostella) или табачная листовертка-почкоед (Heliothis virescens), могут приобретать резистентность сразу к нескольким Bt-токсинам. Исходя из теории полурецессивного характера резистентности насекомых, предполагается наличие у некоторых видов вредителей по крайней мере двух независимых рецессивных локусов разного характера действия, обеспечивающих выживание гетерозиготных особей в популяции и адаптацию популяции к новому токсину. Высказываются опасения, что устойчивость к Bt-токсинам может иметь и доминантный характер, что может обуславливать более быстрое распространения аллелей резистентности и развитие адаптивности популяций, имеющих такие аллели. В связи с этим сочетание Bt-генов с другими источниками токсичности рассматривается в качестве лучшей стратегии поддержания успешности широкого и эффективного использования Bt-растений.

Третья стратегия – поддержание чувствительности популяции к определенному типу токсина (уменьшение действия селективного прессинга). Идея этой стратегии состоит не в стопроцентном уничтожении чувствительных особей в популяции вредителя, а сохранении и поддержании в популяции определенного их количества (сохранение в популяции особей, гомозиготных по гену чувствительности к токсину). Эти особи могут передать потомству гены чувствительности, и таким образом препятствовать отбору на резистентность.

Сохранение чувствительных особей осуществляется путем создания так называемых «островков безопасности» - растений, не несущих гены токсичности. «Островки безопасности» могут создаваться за счет мозаичных посадок трансгенных и нетрансгенных форм в коммерческих посевах в пропорции, позволяющей не снижать урожайность культуры за счет поражения вредителем и в то же время сохранять популяцию чувствительных особей вредителя. Например, чтобы контролировать чувствительность к Bt-токсину большинства вредителей рапса, достаточно добавить к посадкам трансгенных растений 10% нетрансгенных. Для большинства культур рекомендуется пропорция 80% трансгенных и 20% - нетрансгенных растений. Тканеспецифическая экспрессия гена токсичности, или экспрессия гена токсичности на определенных этапах развития растений (временное лимитирование действия гена токсичности) также могут нести функции «островков безопасности».

Мозаичность достигается разными способами: смесью семян, высеваемых на одном поле; посадкой блоками в пределах одного поля или чередованием трансгенных и нетрансгенных полей; чередованием посадки трансгенных и нетрансгенных растений по годам. Выбор типа мозаичности может зависеть от типа трансгенной культуры, ряда условий окружающей среды, применяемой сельскохозяйственной технологии и других факторов. Однако решающее значение здесь играет учет поведенческих характеристик вредителя, в первую очередь подвижность взрослых особей и личинок. Чаще всего в качестве наиболее эффективного способа, предлагается посадка блока или нескольких блоков нетрансгенных растений внутри поля трансгенной культуры.

Четвертая стратегия – прогнозирование появления и мониторинг за развитием резистентности.Предварительная оценка популяций вредителя на вероятность развития ими резистентности и изучение процесса адаптации к токсину должны помочь выявить появление резистентности популяций на ранних этапах и таким образом упростить дальнейший контроль над этим нежелательным явлением. Основные положения и подходы, предлагаемые этой стратегией, изложены в «Меморандуме EPA и USDA по менеджменту резистентности Bt-трансгенных культур» [EPA and USDA Position Paper on Insect Resistance Management in Bt Crops, 1999]. Согласно Меморандуму, разработка плана мониторинга и менеджмента резистентности является обязательным условием при регистрации Bt-трансгенных культур. Мониторинг предусматривает периодический отбор проб особей из популяций вредителя и их изучение с помощью недорогих диагностических средств или в специальных лабораториях с более сложным оборудованием. Для взятия проб предлагается всемерное привлечение сельскохозяйственных производителей, выращивающих Bt-культуры.

К сожалению, этот подход, хорошо себя зарекомендовавший в развитых странах с достаточно большим опытом выращивания трансгенных растений, пока мало доступен развивающимся странам из-за своей высокой стоимости и необходимости создания специальных структур для осуществления мониторинга. Но именно развивающиеся страны рассматриваются как основное поле деятельности будущего маркетинга Bt- культур.

И, наконец, пятая стратегия – неукоснительное выполнение соответствующих условий эксплуатации в каждом конкретном случае использования трансгенных растений. Эта стратегия имеет самое широкое применение и действует одновременно со всеми другими. Основная идея этой стратегии - использование трансгенных растений с устойчивостью к вредителям должно осуществляться на основании предварительной оценки риска возникновения резистентности и с учетом всех требований по всемерному предотвращению этого риска. Оценка производится по принципу индивидуального подхода в соответствии с условиями конкретного региона использования ГМО и с учетом опыта более ранних случаев появления резистентности патогенов к подобного рода пестицидам (токсинам). Сравнительный подход требует глубокого и полного изучения как условий окружающей среды, так и условий сельскохозяйственного производства, присущих данному региону, а также биологии и экологии растения-хозяина и организма-мишени и их взаимодействия.

Основные элементы, которые требуется учитывать при оценке вероятности развития резистентности к токсину: 1) особенности культуры, которые могут оказать влияние на развитие адаптации к токсину у организма-мишени; 2) особенности биологии вредителя: количество видов растений-хозяев вредителя, способность вида-вредителя к развитию резистентности к токсину; 3) возможность и выгодность использования подходящих генно-инженерных технологий в свете полученных данных о характере культуры и ее вредителя. По результатам оценки определяют, может ли быть использована та или иная генно-инженерная модификация для решения проблемы устойчивости данной культуры в данном регионе, выбирается стратегия поддержания чувствительности популяций патогена к токсину.