Экологические эффекты генетически модифицированных культур (10)
19.06.2007
4138
0
41380
Перейти к началу брошюры
«Экологические эффекты генетически модифицированных культур»
6.2. Устойчивые к насекомым Bt-культуры
Bacillus thuringiensis (Bt) – это формирующие эндоспоры почвенные бактерии, характерной особенностью которых является наличие в цитоплазме спорулирующих клеток белковых кристаллов (Cry-протеинов). Разные штаммы B.thuringiensis синтезируют разные комбинации Cry-протеинов (так называемые Bt-токсины), каждый из которых избирательно токсичен для разных групп членистоногих. Они с высокой степенью специфичности связываются рецепторами эпителия средней кишки, что запускает синтез литических пор в мембране клеток и приводит к гибели насекомых (Hoefte & Whiteley 1989, Schnepf et al. 1998, de Maagd et al. 2001).
Бактериальные инсектициды, содержащие Cry-протеины, уже с 1950-х годов включаются в состав спреев для опрыскивания полей. Признано, что в силу высокой специфичности спреи, содержащие Bt-токсины, являются низкотоксичными и их активное использование практически не оказывает отрицательного влияния на нецелевые организмы и на здоровье человека (Glare & O’Callaghan 2000). В настоящее время Bt-спреи составляют лишь 1-2% от мирового объема продаваемых инсектицидных спреев, и около половины из них используются в канадских лесах для контроля над размножением непарных шелкопрядов, гусениц листоверток и других членистоногих вредителей (Nester et al. 2002, Shelton et al. 2002).
6.2.2. Генетически модифицированные Bt-культуры
Cry-белок бактерий B. thuringiensis, а точнее, различные его варианты, обеспечивающие устойчивость трансгенных растений к насекомым-вредителям, является единственным белком, экспрессия которого широко используется в коммерчески культивируемых сельскохозяйственных культурах (James 2004). Ученым удалось встроить Bt-гены в геномы различных видов растений, в том числе кукурузы, хлопка, картофеля, томатов, риса, баклажана и рапса (Ely 1993, Shelton et al. 2002, de Maagd 2004). Однако на настоящий момент коммерциализированы и активно культивируются только некоторые сорта Bt-кукурузы и Bt-хлопка.
Трансгенный Bt-картофель, экспрессирующий защищающий от колорадского жука (Leptinotarsa decemlineata) белок Cry3, культивировался в коммерческих масштабах в период с 1996 по 2001 года, но был отозван с сельскохозяйственного рынка из-за недостаточного признания потребителями и появления нового инсектицида, эффективного как против колорадского жука, так и против тлей (Shelton et al. 2002).
Изначально экспрессирующие белок Cry1Ab сорта Bt-кукурузы создавались с целью защиты от чешуекрылого вредителя – кукурузного мотылька (Ostrinia nubilalis), однако оказалось, что генетическая модификация эффективна также против других чешуекрылых насекомых, в том числе Sesamia nonagrioides, Spodoptera littoralis и Helicoverpa zea (Pilcher et al. 1997, Gonzales-Nunez et al. 2000, Dutton et al. 2005). Bt-кукуруза, экспрессирующая избирательно действующий на жуков-вредителей и предотвращающей поражение корней растений личинками белок Cry3Bb, в 2003 году получила коммерческое одобрение в США и Канаде (Ward et al. 2005, AGBIOS 2006). Однако, в силу короткой истории культивирования, никаких статистических данных по ее выращиванию не имеется.
6.3. Влияние экспрессирующих Cry1-белки Bt-культур на нецелевые виды членистоногих
Долгосрочное и широкомасштабное использование Bt-культур в течение последних десяти лет сопровождалось активными исследованиями, посвященными выявлению потенциальных отрицательных эффектов их выращивания. Большинство работ посвящено изучению Bt-культур, экспрессирующих Cry1-белки, в силу их избирательной токсичности для чешуекрылых (бабочек и мотыльков), и оценке их возможного вредного влияния на членистоногих.
Тестируемые виды отбирали по комплексу критериев. Обычно отбор проводили согласно важности экологических эффектов, оказываемых насекомыми на культуры. В качестве тестируемых изучали виды, осуществляющие естественное регулирование численности вредителей, а также пчел и других насекомых-опылителей, часто необходимых для получения высоких урожаев. Однако на выбор оказывали влияние также социальные, этические и экономические факторы. Выбор некоторых видов, в том числе бабочек, в определенной степени обусловлен их эстетической ценностью. Кроме перечисленных критериев, представители тестовых видов должны быть доступны в достаточном для тестирования количестве (Dutton et al. 2003).
6.3.1. Влияние инсектицидных культур на полезные виды насекомых (хищников и паразитоидов)
В последние годы много внимания уделялось изучению возможных отрицательных эффектов, оказываемых Bt-культурами, экспрессирующими Cry1-белки, на полезных насекомых, таких как хищники и паразитоиды (O’Callaghan et al. 2005, Romeis et al. 2006). Хищники и паразитоиды (так называемые естественные враги) являются важными регуляторами численности популяций насекомых, играющими ключевую роль в биологическом контроле.
Результаты исследований первого уровня
В 1995 году, прежде чем официально зарегистрировать первые в США Bt-растения, Управление по охране окружающей среды США (EPA) провело оценку экологического риска, связанного со всеми Cry1-белками, экспрессируемыми Bt-кукурузой, Bt-картофелем и Bt-хлопком. Эксперты оценивали возможное влияние трансгенных растений на широкий спектр организмов, в том числе на ряд полезных насекомых, не являющихся мишенями, но теоретически подверженных воздействию Bt-белков. При проведении лабораторных экспериментов непосредственное скармливание очищенных Bt-белков не оказывало токсических эффектов ни на один из изучаемых видов полезных насекомых (EPA 2001).
Влияние Bt-кукурузы на естественных врагов вредителей сельскохозяйственных культур оценивали в рамках нескольких работ, затрагивавших различные трофические уровни. Эффекты, оказываемые Bt-культурами на хищников, изучали в рамках 11 исследований, рассматривавших тройную трофическую систему «растение-травоядное-хищник» (Romeis et al. 2006). Неблагоприятное влияние на смертность, продолжительность жизни и развитие хищников отмечено только в результатах работ, в которых в качестве жертв использовались личинки чувствительных к Bt-белкам членистоногих, употреблявшие определенное количество токсинов с пищей. Особенно тщательно изучалось влияние Bt-токсинов на златоглазок (Chrysoperla carnea) – важного хищника, населяющего многие районы культивирования кукурузы. Причиной такого пристального внимания послужили результаты, свидетельствующие об отрицательном влиянии белка Cry1Ab на златоглазок.
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Влияние Bt-кукурузы на златоглазок (Chrysoperla carnea)
Существует несколько публикаций, в которых говорится о негативном влиянии экспрессирующей белок Cry1Ab трансгенной Bt-кукурузы на личинки златоглазок, которые могут поедать вредителей, употребивших инсектицидный белок с пищей (Hilbeck et al. 1998a, 1998b, 1999). Согласно первоначально опубликованным данным, поедание питающихся Bt-кукурузой личинок чешуекрылых незначительно повышает смертность и замедляет развитие личинок златоглазок. Однако дополнительное изучение тройной трофической системы, включавшей в качестве жертв несколько различных видов, питающихся Cry1Ab-кукурузой, продемонстрировало, что токсин не оказывает непосредственного влияния на хищника, а наблюдаемые эффекты обусловлены снижением качества пищи, употребляемой чувствительными к Bt-токсинам жертвами. При этом отрицательные эффекты наблюдались только при скармливании личинкам златоглазок личинок Spodoptera littoralis, употреблявших в пищу Bt-кукурузу. Скармливание же питающихся Bt-кукурузой паутинных клещиков и растительных тлей не оказывало на личинки златоглазок никакого влияния (Dutton et al. 2002). Эти результаты свидетельствуют о возможности проявления только косвенных токсических эффектов, так как при проведении эксперимента концентрация активного Bt-токсина в организме паутинных клещиков была более чем в пять раз выше, чем в теле личинок S.littoralis (Dutton et al. 2002, Obrist et al. 2006). Кроме того, Bt-токсин оказывал сублетальное воздействие на личинки S.littoralis, что понижало их питательную ценность для златоглазок по сравнению с паутинными клещиками и растительными тлями (Dutton et al. 2002, 2005). Гипотеза подтвердилась отсутствием токсического влияния при скармливании личинкам златоглазок больших доз очищенного токсина Cry1Ab (Romeis et al. 2004, Rodrigo-Simon et al. 2006), что можно объяснить отсутствием в кишечнике златоглазок специфических рецепторов, связывающихся с белком Cry1Ab (Rodrigo-Simon et al. 2006). В полевых условиях личинки чешуекрылых не являются для златоглазок ни любимой пищей, ни легкой добычей (Dutton et al. 2003). Более того, при наличии выбора хищная личинка всегда отдаст предпочтение здоровой, а не сублетально отравленной Bt-кукурузой жертве S.littoralis (Meier & Hilbeck 2001). Результаты исследований, проведенных в лабораторных и парниковых условиях, указывающие на то, что выращивание Bt-кукурузы практически не угрожает златоглазкам, полностью подтвердились и при проведении полевых испытаний (Bourguet et al. 2002, Candolfi et al. 2004, de la Poza et al. 2005, Pilcher et al. 2005).
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Дополнительные исследования показали, что инсектицидный белок не оказывает непосредственного влияния на златоглазок, которые, однако, могут пострадать при употреблении в пищу представителей чувствительных к Bt-токсинам видов, относящихся к второстепенным источникам питания (Dutton et al. 2002, Romeis et al. 2004, Rodrigo-Simon et al. 2006). Все негативные эффекты, наблюдаемые на третьем трофическом уровне, обусловлены исключительно изменением качества жертв при поедании личинками чешуекрылых инсектицидных белков. Личинки чешуекрылых не являются основным источником питания для златоглазок, поэтому выращивание Bt-кукурузы несет лишь незначительную угрозу для этих важных с экологической точки зрения хищников (Dutton et al. 2003, Romeis et al. 2004).
Влияние Bt-культур на перепончатокрылых паразитоидов, развивающихся в организмах питающихся трансгенными растениями травоядных насекомых, изучали в рамках десяти работ (Romeis et al. 2006). При этом влияние на смертность, развитие, массу тела и продолжительность жизни наблюдалось исключительно в тех случаях, когда чувствительные к Bt-токсинам виды выступали в роли хозяина. Эта закономерность очевидна, так как паразитоид находится в очень тесных взаимоотношениях с хозяином и весьма чувствителен ко всем происходящим в организме хозяина изменениям.
Перевод: Евгения Рябцева,
Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/
Продолжение:
Влияние экспрессирующих Cry1-белки Bt-культур на нецелевые виды членистоногих (ч.2)
«Экологические эффекты генетически модифицированных культур»
6.2. Устойчивые к насекомым Bt-культуры
6.2.1. Bacillus thuringiensis (Bt)
Bacillus thuringiensis (Bt) – это формирующие эндоспоры почвенные бактерии, характерной особенностью которых является наличие в цитоплазме спорулирующих клеток белковых кристаллов (Cry-протеинов). Разные штаммы B.thuringiensis синтезируют разные комбинации Cry-протеинов (так называемые Bt-токсины), каждый из которых избирательно токсичен для разных групп членистоногих. Они с высокой степенью специфичности связываются рецепторами эпителия средней кишки, что запускает синтез литических пор в мембране клеток и приводит к гибели насекомых (Hoefte & Whiteley 1989, Schnepf et al. 1998, de Maagd et al. 2001).
Бактериальные инсектициды, содержащие Cry-протеины, уже с 1950-х годов включаются в состав спреев для опрыскивания полей. Признано, что в силу высокой специфичности спреи, содержащие Bt-токсины, являются низкотоксичными и их активное использование практически не оказывает отрицательного влияния на нецелевые организмы и на здоровье человека (Glare & O’Callaghan 2000). В настоящее время Bt-спреи составляют лишь 1-2% от мирового объема продаваемых инсектицидных спреев, и около половины из них используются в канадских лесах для контроля над размножением непарных шелкопрядов, гусениц листоверток и других членистоногих вредителей (Nester et al. 2002, Shelton et al. 2002).
6.2.2. Генетически модифицированные Bt-культуры
Cry-белок бактерий B. thuringiensis, а точнее, различные его варианты, обеспечивающие устойчивость трансгенных растений к насекомым-вредителям, является единственным белком, экспрессия которого широко используется в коммерчески культивируемых сельскохозяйственных культурах (James 2004). Ученым удалось встроить Bt-гены в геномы различных видов растений, в том числе кукурузы, хлопка, картофеля, томатов, риса, баклажана и рапса (Ely 1993, Shelton et al. 2002, de Maagd 2004). Однако на настоящий момент коммерциализированы и активно культивируются только некоторые сорта Bt-кукурузы и Bt-хлопка.
Трансгенный Bt-картофель, экспрессирующий защищающий от колорадского жука (Leptinotarsa decemlineata) белок Cry3, культивировался в коммерческих масштабах в период с 1996 по 2001 года, но был отозван с сельскохозяйственного рынка из-за недостаточного признания потребителями и появления нового инсектицида, эффективного как против колорадского жука, так и против тлей (Shelton et al. 2002).
Изначально экспрессирующие белок Cry1Ab сорта Bt-кукурузы создавались с целью защиты от чешуекрылого вредителя – кукурузного мотылька (Ostrinia nubilalis), однако оказалось, что генетическая модификация эффективна также против других чешуекрылых насекомых, в том числе Sesamia nonagrioides, Spodoptera littoralis и Helicoverpa zea (Pilcher et al. 1997, Gonzales-Nunez et al. 2000, Dutton et al. 2005). Bt-кукуруза, экспрессирующая избирательно действующий на жуков-вредителей и предотвращающей поражение корней растений личинками белок Cry3Bb, в 2003 году получила коммерческое одобрение в США и Канаде (Ward et al. 2005, AGBIOS 2006). Однако, в силу короткой истории культивирования, никаких статистических данных по ее выращиванию не имеется.
6.3. Влияние экспрессирующих Cry1-белки Bt-культур на нецелевые виды членистоногих
Долгосрочное и широкомасштабное использование Bt-культур в течение последних десяти лет сопровождалось активными исследованиями, посвященными выявлению потенциальных отрицательных эффектов их выращивания. Большинство работ посвящено изучению Bt-культур, экспрессирующих Cry1-белки, в силу их избирательной токсичности для чешуекрылых (бабочек и мотыльков), и оценке их возможного вредного влияния на членистоногих.
Тестируемые виды отбирали по комплексу критериев. Обычно отбор проводили согласно важности экологических эффектов, оказываемых насекомыми на культуры. В качестве тестируемых изучали виды, осуществляющие естественное регулирование численности вредителей, а также пчел и других насекомых-опылителей, часто необходимых для получения высоких урожаев. Однако на выбор оказывали влияние также социальные, этические и экономические факторы. Выбор некоторых видов, в том числе бабочек, в определенной степени обусловлен их эстетической ценностью. Кроме перечисленных критериев, представители тестовых видов должны быть доступны в достаточном для тестирования количестве (Dutton et al. 2003).
6.3.1. Влияние инсектицидных культур на полезные виды насекомых (хищников и паразитоидов)
В последние годы много внимания уделялось изучению возможных отрицательных эффектов, оказываемых Bt-культурами, экспрессирующими Cry1-белки, на полезных насекомых, таких как хищники и паразитоиды (O’Callaghan et al. 2005, Romeis et al. 2006). Хищники и паразитоиды (так называемые естественные враги) являются важными регуляторами численности популяций насекомых, играющими ключевую роль в биологическом контроле.
Результаты исследований первого уровня
В 1995 году, прежде чем официально зарегистрировать первые в США Bt-растения, Управление по охране окружающей среды США (EPA) провело оценку экологического риска, связанного со всеми Cry1-белками, экспрессируемыми Bt-кукурузой, Bt-картофелем и Bt-хлопком. Эксперты оценивали возможное влияние трансгенных растений на широкий спектр организмов, в том числе на ряд полезных насекомых, не являющихся мишенями, но теоретически подверженных воздействию Bt-белков. При проведении лабораторных экспериментов непосредственное скармливание очищенных Bt-белков не оказывало токсических эффектов ни на один из изучаемых видов полезных насекомых (EPA 2001).
Влияние Bt-кукурузы на естественных врагов вредителей сельскохозяйственных культур оценивали в рамках нескольких работ, затрагивавших различные трофические уровни. Эффекты, оказываемые Bt-культурами на хищников, изучали в рамках 11 исследований, рассматривавших тройную трофическую систему «растение-травоядное-хищник» (Romeis et al. 2006). Неблагоприятное влияние на смертность, продолжительность жизни и развитие хищников отмечено только в результатах работ, в которых в качестве жертв использовались личинки чувствительных к Bt-белкам членистоногих, употреблявшие определенное количество токсинов с пищей. Особенно тщательно изучалось влияние Bt-токсинов на златоглазок (Chrysoperla carnea) – важного хищника, населяющего многие районы культивирования кукурузы. Причиной такого пристального внимания послужили результаты, свидетельствующие об отрицательном влиянии белка Cry1Ab на златоглазок.
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Влияние Bt-кукурузы на златоглазок (Chrysoperla carnea)
Существует несколько публикаций, в которых говорится о негативном влиянии экспрессирующей белок Cry1Ab трансгенной Bt-кукурузы на личинки златоглазок, которые могут поедать вредителей, употребивших инсектицидный белок с пищей (Hilbeck et al. 1998a, 1998b, 1999). Согласно первоначально опубликованным данным, поедание питающихся Bt-кукурузой личинок чешуекрылых незначительно повышает смертность и замедляет развитие личинок златоглазок. Однако дополнительное изучение тройной трофической системы, включавшей в качестве жертв несколько различных видов, питающихся Cry1Ab-кукурузой, продемонстрировало, что токсин не оказывает непосредственного влияния на хищника, а наблюдаемые эффекты обусловлены снижением качества пищи, употребляемой чувствительными к Bt-токсинам жертвами. При этом отрицательные эффекты наблюдались только при скармливании личинкам златоглазок личинок Spodoptera littoralis, употреблявших в пищу Bt-кукурузу. Скармливание же питающихся Bt-кукурузой паутинных клещиков и растительных тлей не оказывало на личинки златоглазок никакого влияния (Dutton et al. 2002). Эти результаты свидетельствуют о возможности проявления только косвенных токсических эффектов, так как при проведении эксперимента концентрация активного Bt-токсина в организме паутинных клещиков была более чем в пять раз выше, чем в теле личинок S.littoralis (Dutton et al. 2002, Obrist et al. 2006). Кроме того, Bt-токсин оказывал сублетальное воздействие на личинки S.littoralis, что понижало их питательную ценность для златоглазок по сравнению с паутинными клещиками и растительными тлями (Dutton et al. 2002, 2005). Гипотеза подтвердилась отсутствием токсического влияния при скармливании личинкам златоглазок больших доз очищенного токсина Cry1Ab (Romeis et al. 2004, Rodrigo-Simon et al. 2006), что можно объяснить отсутствием в кишечнике златоглазок специфических рецепторов, связывающихся с белком Cry1Ab (Rodrigo-Simon et al. 2006). В полевых условиях личинки чешуекрылых не являются для златоглазок ни любимой пищей, ни легкой добычей (Dutton et al. 2003). Более того, при наличии выбора хищная личинка всегда отдаст предпочтение здоровой, а не сублетально отравленной Bt-кукурузой жертве S.littoralis (Meier & Hilbeck 2001). Результаты исследований, проведенных в лабораторных и парниковых условиях, указывающие на то, что выращивание Bt-кукурузы практически не угрожает златоглазкам, полностью подтвердились и при проведении полевых испытаний (Bourguet et al. 2002, Candolfi et al. 2004, de la Poza et al. 2005, Pilcher et al. 2005).
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Дополнительные исследования показали, что инсектицидный белок не оказывает непосредственного влияния на златоглазок, которые, однако, могут пострадать при употреблении в пищу представителей чувствительных к Bt-токсинам видов, относящихся к второстепенным источникам питания (Dutton et al. 2002, Romeis et al. 2004, Rodrigo-Simon et al. 2006). Все негативные эффекты, наблюдаемые на третьем трофическом уровне, обусловлены исключительно изменением качества жертв при поедании личинками чешуекрылых инсектицидных белков. Личинки чешуекрылых не являются основным источником питания для златоглазок, поэтому выращивание Bt-кукурузы несет лишь незначительную угрозу для этих важных с экологической точки зрения хищников (Dutton et al. 2003, Romeis et al. 2004).
Влияние Bt-культур на перепончатокрылых паразитоидов, развивающихся в организмах питающихся трансгенными растениями травоядных насекомых, изучали в рамках десяти работ (Romeis et al. 2006). При этом влияние на смертность, развитие, массу тела и продолжительность жизни наблюдалось исключительно в тех случаях, когда чувствительные к Bt-токсинам виды выступали в роли хозяина. Эта закономерность очевидна, так как паразитоид находится в очень тесных взаимоотношениях с хозяином и весьма чувствителен ко всем происходящим в организме хозяина изменениям.
Перевод: Евгения Рябцева,
Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/
Продолжение:
Влияние экспрессирующих Cry1-белки Bt-культур на нецелевые виды членистоногих (ч.2)
Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Последние комментарии
