Экологические эффекты генетически модифицированных культур (18)

18.07.200741740
Перейти к началу брошюры «Экологические эффекты генетически модифицированных культур»

9. Инвазивность генетически модифицированных культур в природные экосистемы



То, что особи чужеродных видов могут в результате деятельности человека случайно или преднамеренно попадать в природные экосистемы, известно уже давно (Elton 1958). Подобные инвазии все чаще признаются серьезной угрозой для существования того, что мы считаем (в зависимости от выбора временной шкалы) нативной флорой и фауной (Sakai et al. 2001, D’Antonio & Meyerson 2002, Levine et al. 2003). Несмотря на то, что в большинстве случаев случайно попавшие в экосистему чужеродные растения не приживаются в новых условиях, известен целый ряд случаев, приведших к появлению серьезных проблем (Levin 1988). Не удивительно, что вопрос о засорении природных экосистем генетически модифицированными культурами возник в самом начале дискуссии, посвященной потенциальным экологическим рискам, ассоциированным с их выращиванием (Levin 1988).

9.1. «Модель экзотического вида» против «модели сельскохозяйственной культуры»

При оценке потенциального риска инвазии генетически модифицированных культур преимущественно используются две основных модели: 1) модель экзотического вида и 2) модель сельскохозяйственной культуры.

Согласно модели экзотического вида, при попадании в природные условия приживается около 10% всех чужеродных видов, 10% из которых становятся сорняками (Williamson 1993). Кроме того, только 10% таких сорняков становятся в прямом смысле дикорастущими полевыми растениями (Williamson 1994). Таким образом, только около 1% от всех внедренных в сельскохозяйственную практику ГМ культур теоретически может превратиться в сорные растения, распространение которых может вызвать серьезные проблемы (Williamson 1993, 1994).

Модель экзотического вида предоставляет собой методологический подход для разработки долгосрочного экологического прогноза, основанного на обширных исторических данных, перед внедрением ГМ культур в сельскохозяйственную практику (Sukopp & Sukopp 1993). Однако методы оценки риска не позволяют наблюдать за процессами натурализации видов в течение десятилетий и столетий. Поэтому для оценки возможных краткосрочных экологических эффектов конкретного, четко охарактеризованного ГМ сорта гораздо целесообразнее сравнивать его экологическое поведение с поведением сходного выращиваемого в течение длительного времени сорта, выведенного с помощью методов традиционной селекции (Sukopp & Sukopp 1993).

Более современная модель сельскохозяйственной культуры допускает, что ГМ культуры будут вести себя аналогично традиционным сельскохозяйственным культурам, за исключением проявления свойств, обусловленных ГМ признаками, влияющими на жизнеспособность растений (Crawley et al. 2001). Если ГМ сорта не обладают свойствами, способными повысить их выживаемость в полу-природных условиях, они, наиболее вероятно, с точки зрения инвазивности будут вести себя подобно нетрансгенным культурам.

Выражаясь экологическими терминами, при культивировании трансгенных растений, невозможно идентифицировать конкретный риск, который можно было бы исключить при выращивании сортов, выведенных с помощью методов традиционной селекции (Sukopp & Sukopp 1993). Авторы также утверждают, что «если мы признаем необходимость проведения оценки риска в случае преднамеренного введения трансгенных растений в экосистему, нам также необходимо оценить потенциально вредные с экологической точки зрения последствия выращивания традиционных сельскохозяйственных культур» (Sukopp & Sukopp 1993).

9.2. Культурные растения, сельскохозяйственные сорняки и «степень одичания»

Как культурные растения, так и сельскохозяйственные сорняки произошли от дикорастущих растений. Основное отличие культурных растений от сорняков заключается в том, что их существование является результатом тысячелетней деятельности человека, направленной на отбор определенных качеств. Результатом такого направленного отбора стало появления ряда признаков (способность к самооплодотворению, неломкие колосья, стручки и т.п.), одновременно присущих многим неродственным сельскохозяйственным культурам.

Сорняки, напротив, не являются обычными дикими растениями, мешающими росту сельскохозяйственных культур. Их появлению мы обязаны косвенной непреднамеренной селекции, обусловленной проведением сельскохозяйственных работ и направленной на отбор растений, обладающих такими качествами, как нестрогий период прорастания, быстрый рост в начале вегетативного сезона, длительные периоды цветения и формирования семян.

В процессе выведения культурных растений в течение тысяч поколений проводилось избавление от большинства признаков, характеризующих сорные травы. Подобные признаки не рассматриваются в качестве кандидатур на обратное встраивание в геномы сельскохозяйственных культур, так как в условиях современного сельского хозяйства это приведет к значительному снижению их агрономической ценности (Conner et al. 2003). Учитывая то, что современные сельскохозяйственные сорта не обладают характеристиками сорных трав, в отсутствие интрогрессии генетического материала от дикорастущих родственных видов их способность превращаться в сорняки крайне ограничена (Conner et al. 2003).

Генетические характеристики дикорастущих видов обеспечивают их способность расти и размножаться независимо от человека и его деятельности. Напротив, существование культурных растений и сорняков зависит от создаваемых человеком условий обитания. Сорные растения традиционно предпочитают измененные человеком экосистемы, такие как культивируемые поля и их окраины, сады и обочины. Большинство сорняков распространяются без участия человека, в то время как рост и размножение культурных растений практически невозможны в отсутствие человеческой деятельности. Более того, в отличие от дикорастущих растений, способных населять различные экологические ниши, сельскохозяйственные сорняки произрастают только в определенных земледельческих системах, подвергающихся определенным методам обработки. Культурные растения и сорняки произрастают в одних и тех же условиях, при этом последние часто ассоциированы с определенной сельскохозяйственной культурой.

На первый взгляд, с учетом того, что многие сельскохозяйственные растения обладают способностью засорять высеваемые им на смену культуры, кажется, что факты «одичания» культурных растений должны встречаться довольно часто. Однако в реальных условиях такие модели эволюции сорняков, как самопроизвольное превращение культурных растений в сорняки и «одичание» за счет дрейфа генов от родственных сорных видов, встречаются крайне редко (Warwick & Stewart 2005). Возможно, это обусловлено чередованием культур, благодаря чему спонтанно высевающиеся особи предыдущей культуры и гибриды, возникшие в предшествующем вегетационном сезоне, не имеют возможности конкурировать с исходной культурой, а вынуждены выживать среди представителей совершенно другого вида и в условиях изменившейся агрономической системы. Возможно, появление трансгенов способно изменить эту ситуацию. Существуют теории  антитезисы модели сельскохозяйственной культуры,  согласно которым гемизиготность трансгенных признаков (см. раздел 8.1.) может приводить к синдрому специализированной сорности (Ellstrand 2003).

То, что практически все сельскохозяйственные культуры и сорные растения имеют в каком либо месте земного шара способные к перекрестному скрещиванию родственные виды, теоретически может привести к появлению трудноискоренимых сорняков. Для того, чтобы установить способность трансгенов повышать вероятность одичания культуры и появления ее гибридов с сорными растениями, важно оценить степень окультуривания растения, наиболее важные родственные сорные виды и потенциальную роль трансгенов в возможном одичании.

9.2.1. Степень окультуривания растений

Степень окультуривания растений или соотношение полезных свойств и признаков сорных растений для разных культур различна. Непрерывная адаптация растений к сельскохозяйственному культивированию получила название синдрома окультуривания. При этом отдельные растения приобретают только некоторые признаки окультуривания, в то время как другие  обладают всеми или большинством полезных с точки зрения человека характеристик (Warwick & Stewart 2005). Практически все важные сельскохозяйственные растения отличаются высокой степенью окультуривания. Это обусловлено тем, что в течение длительного времени они проходили отбор по признакам, обеспечивающим получение большего количества качественных продуктов питания и волокон. Такие культуры как кукуруза и пшеница вообще не существовали в природе, а рис и рапс претерпели существенные изменения в процессе селекции.

В целом, окультуренные растения утратили часть присущей их прародителям естественной устойчивости к природным условиям и обладают сниженной конкурентоспособностью в условиях дикой природы. Однако выращивание определенных категорий трансгенных культур сопряжено с особым риском. К качествам, обуславливающим такой риск, относятся морозо- и засухоустойчивость, конкурентоспособность, способность к перекрестному опылению, плодовитость, наличие большого количества способных к гибридизации родственных видов и способность обитать в различных природных и полу-природных экосистемах (Warwick & Stewart 2005). Примерами таких растений являются травы и пастбищные культуры. Генетически модифицированные люцерна и полевица (Agrostis stolonifera) уже получили официальное одобрение для выращивания в США, однако пока ни один из трансгенных сортов этих растений не коммерциализован (AGBIOS 2006).

Сорный потенциал кукурузы

Кукуруза предположительно произошла от одной из дикорастущих разновидностей произрастающего в Мексике растения теосинте. От прародителя кукурузу отличает то, что ее семена содержатся в початке, что значительно облегчает сбор урожая и предотвращает рассеивание семян вне зон культивации и «одичание» растения. Таким образом, кукуруза является в высокой степени окультуренным видом и не может формировать дикорастущих популяций, и лишь в редких случаях единичные особи могут засорять высеваемую ей на смену культуру (Warwick & Stewart 2005). Хотя признается вероятность однонаправленного дрейфа генов от теосинте к кукурузе, появления сорных производных кукурузы на сегодняшний день не зарегистрировано.

Сорный потенциал сои

Судя по практическому отсутствию опубликованных данных, соя не рассматривается как потенциальный источник серьезной проблемы в отношении появления сорных растений (Owen 2005). В большинстве регионов выращивания сои в США попадающие в почву во время сбора урожая семена сои не переносят зиму, и даже если одиночные особи сои появляются на плантациях высеваемой в следующем сезоне культуры, наблюдаемые при этом потери урожая незначительны. Возможное «одичание» сои не представляет собой серьезной сельскохозяйственной проблемы. Несмотря на существование ряда генетически совместимых с соей видов, теоретически способных на интрогрессию трансгенных признаков, эти виды либо не произрастают в регионах масштабного выращивания сои (например, ареалы распространения дикорастущей сои и культивирования сельскохозяйственных сортов в Западном полушарии), либо не представляют угрозы для сельского хозяйства из-за недостаточной конкурентоспособности, как, например, дикорастущая соя в Китае (Owen 2005).

Сорный потенциал масличного рапса

Окультуривание рапса произошло сравнительно недавно, поэтому, по сравнению с культивируемыми с незапамятных времен зерновыми растениями, он сохранил гораздо больше признаков сорного растения, чем другие культуры. Из-за активного разбрасывания семян и их способности к длительному пребыванию в покоящемся состоянии, рапс часто засоряет высеваемые ему на смену культуры (см. раздел 8.2.). Малый размер и форма семян рапса способствуют их самозахоронению в почве, что обеспечивает их сохранность в течение длительного времени (Hall et al. 2005).

9.2.2. Способность к одичанию и жизнеспособность масличного рапса в полу-природных экосистемах

Срок существования одичавших (нетрансгенных) популяций масличного рапса в нарушенных человеком экосистемах (например, на обочинах дорог) варьирует от одного до четырех лет в Великобритании (Crawley & Brown 1995, 2004) и от восьми до девяти лет во Франции (Pessel et al. 2001). Считается, что дикие популяции масличного рапса возникают в результате просыпания семян из сельскохозяйственного оборудования и грузовиков или являются результатом позднего прорастания покоящихся семян (Pessel et al. 2001). Необходимо отметить, что оба исследования проводились в регионах, где дикие популяции масличного рапса возникали преимущественно в результате просыпания семян при транспортировке растительного сырья к силосохранилищам или перерабатывающим заводам. Учитывая то, что обочины дорог в большинстве случаев ежегодно скашиваются, можно сделать вывод, что семена масличного рапса регулярно высыпаются из грузовиков при транспортировке урожая (Pessel et al. 2001).

Инвазивность масличного рапса вне сельскохозяйственных угодий больше зависит от активного распространения семян человеком, чем от биологических процессов, т.к. исходный инвазивный потенциал растения очень ограничен. Подобно большинству однолетних сорняков, масличный рапс может произрастать только в нарушенных человеком экосистемах; в естественной природной среде он быстро вытесняется многолетними растениями (Claessen et al. 2005a). Авторы проведенного в Великобритании исследования в большинстве случаев наблюдали классическую временнУю динамику развития популяций масличного рапса, то есть времЕнные популяции, не способные к самоподдержанию, существовали в течение 1-2 лет, после чего самопроизвольно исчезали. Это по большей части происходило из-за межвидовой конкуренции с многолетними травами, захватывающими пригодные для прорастания семян рапса территории. При этом прорастание рапса было возможно только в случае попадания просыпавшихся из грузовика семян в нарушенную человеком экосистему (Crawley & Brown 2004). Установлено, что возникновение придорожных популяций масличного рапса не угрожает появлением метапопуляций растения в глобальном масштабе, так как для этого потребовалось бы нереалистично активное рассеивание семян (Claessen et al. 2005b).

Перевод: Евгения Рябцева,
Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/

Продолжение: Влияние трансгенных признаков на жизнеспособность модифицированных культур и их склонность к одичанию

Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Вернуться к списку статей