Биотехнологические подходы, снижающие биогенные риски в растениеводстве, на примере картофеля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Брестский государственный университет имени А.С. Пушкина

Биотехнологические подходы, снижающие биогенные риски в растениеводстве, на примере картофеля

С.М. Ленивко, В.И. Бойко

Брест

Abstract

Вiotechnological approaches to reduce biogenic risks in crop production: potato case

Svetlana М. Lenivko*, Vladimir I. Boiko Brest State A.S. Pushkin University, Brest, Republic of Belarus

The article presents an overview of the biogenic agro-ecological risks in crop production, to reduce which it is possible to use biotechnological approaches. Ways to reduce the negative impact of the two most common harmful objects, the ^lorado potato beetle (Leptinotarsa decemlineata Say) and phytophthoras (Phytophthora infestans (Mont.) De Bary), which lead to significant losses of potato yield, are considered. It is shown that the currently used methods of plant cell engineering (somatic hybridization and microclonal reproduction) are environmentally sound biotechnological methods of controlling black eye rot potato. The need to develop genetically engineered methods is associated with an exacerbation of biogenic agroecological risks, the reduction of which is an important approach is a proactive introgressive breeding strategy based on cell engineering and molecular methods.

Key words: biogenic agro-ecological risks, microclonal propagation, transgenic plants, Solanum tuberosum L., Leptinotarsa decemlineata Say, Phytophthora infestans (Mont.) de Bary

Аннотация

растениеводство биотехнологический фитофтора трансгенный

Приведен обзор биогенных агроэкологических рисков в растениеводстве, для снижения которых возможно использование биотехнологических подходов. Рассмотрены пути, предлагаемые современной биотехнологией, для снижения негативного влияния двух наиболее распространенных вредоносных объектов: колорадского жука (Leptinotarsa decemlineata Say) и фитофторы (Phytophthora infestans (Mont.) de Bary), приводящих к значительным потерям урожая картофеля. Проведен анализ возможных потенциальных рисков, связанных с использованием трансгенных организмов. Показано, что применяемые в настоящее время методы клеточной инженерии растений (соматическая гибридизация и микроклональное размножение) являются экологически оправданными биотехнологическими способами борьбы с фитофторозом. Потребность разработки генно-инженерных методов связана с обострением биогенных агроэкологических рисков, для снижения которых эффективна стратегия упреждающей интрогрессивной селекции, основанной на клеточноинженерных и молекулярных методах.

Ключевые слова: биогенные агроэкологические риски, микроклональное размножение, трансгенные растения, Solanum tuberosum L., Leptinotarsa decemlineata Say, Phytophthora infestans (Mont.) de Bary

Проблема урожайности в картофелеводстве Республики Беларусь и России

На фоне возрастающих потенциальных рисков, обусловленных неблагоприятными изменениями, происходящими в биосфере, одной из важнейших задач является получение высоких урожаев растений. От продуктивности растениеводства напрямую зависит эффективность всего сельскохозяйственного производства. Растительный организм, способный трансформировать энергию солнца в энергию органических соединений, -- основополагающее звено в получении продуктов питания, кормов, сырья, топлива, лекарственных средств. Интенсификация растениеводства в современных условиях должна базироваться на разумном сочетании традиционных подходов с новыми технологиями.

Картофель (Solanum tuberosum L.) -- вторая по важности сельскохозяйственная культура в Республике Беларусь, лишь в последние пять лет незначительно уступающая рапсу. Брестская область стабильно занимает второе место по площади, занятой под выращивание картофеля, в хозяйствах всех категорий. Однако, по данным Белстата (рис. 1), урожайность картофеля в условиях Брестской области снижена в сравнении с данным показателем по Республике Беларусь и ряду областей.

Рис. 1 Урожайность картофеля, т/га, в Республике Беларусь и Брестской области с 1995 по 2017 гг. (составлено автором по данным [1])

Таблица 1

Динамика посевных площадей картофеля, тыс. га, в выборке стран с 1995 по 2017 гг.

Помимо фитофторы серьезным биогенным риском для картофеля во многих странах является колорадский жук, который в благоприятные годы способен уничтожить до 40% урожая. Несмотря на стремительное развитие науки, колорадский жук до сих пор остается опасным вредителем картофеля, на борьбу с которым тратятся немалые средства. Колорадский жук как опасный вредитель картофеля относится к объектам внешнего и внутреннего карантина в Республике Беларусь. Бороться с ним в связи с его высокой плодовитостью, способностью длительно обходиться без пищи, впадать в диапаузу на продолжительный срок и перемещаться на значительные расстояния очень затруднительно. К тому же у колорадского жука мало естественных врагов. Питаясь пасленовыми, содержащими ядовитый соланин, колорадские жуки становятся для них ядовитыми. Затрудняет борьбу с вредителем картофеля и тот факт, что с началом весны жуки, зимующие в почве, выходят на поверхность земли не одновременно, а с интервалами. Кроме того, некоторые самки зимуют уже оплодотворенными и сразу после выхода на поверхность начинают откладывать яйца. В связи с климатическими особенностями Белорусского Полесья количество генераций у колорадского жука может быть увеличено до трех, что еще больше может обусловить продолжительность его вредоносности.

Традиционным подходом, направленным на сокращение потерь урожая картофеля от вредителя, являются химические методы защиты. Однако использование химических препаратов против колорадского жука вызывает у насекомого быстрое привыкание к яду и способствует к тому же сохранению более устойчивых особей, дающих более жизнеспособное потомство. За последние десятилетия в Республике Беларусь произошло увеличение распространенности колорадского жука, изменение некоторых биоэкологических особенностей развития вредителя вследствие варьирования погодных условий вегетационного сезона, формирование резистентности к химическим средствам защиты. В сложившейся ситуации наиболее подходящим считается использование микробиологических препаратов и растительных экстрактов с включением их в экологизированную систему защиты картофеля от колорадского жука [10]. Большинство существующих и вновь разрабатываемых микробных препаратов создаются на основе штаммов почвенной бактерии Bacillus thuringiensis, которые способны вырабатывать белок, названный Bt-токсином. Этот токсический белок отличается в зависимости от подвида thuringiensis, производящего его, поэтому обладает высокой избирательностью действия и позволяет регулировать численность только определенных видов насекомых. Когда бактерии потребляются восприимчивыми насекомыми, выделяемый Bt-токсин становится активным под действием ферментов в щелочных условиях пищеварительного тракта. В активной форме токсин специфически связывается с рецепторами эпителиальных клеток и вызывает их разрушение. Насекомые перестают питаться и вскоре погибают, а Bt-токсин разрушается под действием солнечного света. На теплокровных животных Bt-токсин не оказывает негативного действия.

С разработкой методологии генетической инженерии стало возможным обнаружение и выделение генов, кодирующих Bt-токсины, их модификация и перенос в геном растений. Первые публикации о практических наработках по переводу сортов картофеля в статус трансгенных появились в начале 90-х гг. ХХ в. В частности, в одной из таких публикаций показано, что генетически улучшенные растения сорта картофеля Russet Burbank содержали модифицированный бактериальный ген B. thuringiensis var. tenebrionis, кодирующий белок-контролер L. decemlineata Say, и не повреждались колорадским жуком в лабораторных условиях [11]. У трансгенных сортов ген Bt-токсина находится во всех клетках, а значит, способен эксперессироваться постоянно, что позволяет растению защитить себя от колорадского жука и его личинок на протяжении всей вегетации. По всем остальным признакам трансгенный сорт не отличается от исходного немодифи- цированного сорта. В обзоре достижений первого десятилетия биотехнологии в растениеводстве отмечено, что в мировом масштабе среди других культур, для которых проведены полевые испытания и коммерциализация трансгенных растений с 1986 по 1995 г., картофель составлял 11% [12].

Прибыльность выращивания генетически модифицированных растений в производственных масштабах сразу была оценена компаниями США, Аргентины, Бразилии, Канады, Индии, которые с 1996 г. остаются безусловными лидерами по расширению посевных площадей и видового сортимента генно-инженерных культур. По данным Международной службы по внедрению агробиотехнологиче- ских разработок (ISAAA -- International Service for the Acquisition of Agribiotech Applications), в 2016 г. посевные площади под генно-инженерными культурами в мире достигли 185,1 млн га, увеличившись за десять лет более чем в 100 раз (для сравнения 1,7 млн га в 1996 г.) [13]. Коммерческая выгода от использования генетически модифицированных растений, обусловленная повышением урожайности при сокращении затрат на применение химических средств защиты, а также вопросы, связанные с выработкой эффективных мер по поддержанию устойчивого развития, экономической стабильности, побуждают ученых разных стран, в т.ч. и Республики Беларусь, к проведению исследований по генетическому улучшению сортов сельскохозяйственных культур отечественной селекции. Такие сорта составляют основу сортовых ресурсов страны и выгодно отличаются от зарубежных аналогов, особенно по уровню их адаптивности к условиям выращивания, устойчивости к болезням и ряду других признаков.

К направлениям исследований по генетической инженерии картофеля, проводимых в научных учреждениях Республики Беларусь, относятся создание трансгенных линий на основе сорта белорусской селекции Скарб с устойчивостью к колорадскому жуку, а также к фитофторозу. В 2014--2015 гг. проведены испытания созданной в Институте генетики и цитологии НАН Беларуси генно-инженерной линии картофеля, устойчивой к колорадскому жуку, на опытном поле, соответствующем требованиям безопасности. Трансгенная линия получена путем введения в геном растений картофеля сорта Скарб гена Cry3aM, донором которого была бактерия B. thuringiensis var. tenebrionis, под контролем CaMV 35S промотора от вируса мозаики цветной капусты. Чужеродный ген экспрессирует белок Bt-эндотоксин, который проявляет инсектицидные свойства по отношению к колорадскому жуку и не действует на других насекомых.

Оценка потенциальных рисков, связанных с использованием трансгенных организмов, в Республике Беларусь

Принимая во внимание короткую мировую практику использования генетически модифицированных растений, а также то, что картофель является значимой для потребителей продовольственной культурой, безопасность его генетически модифицированных сортов должна быть не только обеспечена со стороны ученых, но и гарантирована на уровне государства. В Республике Беларусь за период, прошедший после присоединения в мае 2002 г. к Картахенскому протоколу по биобезопасности к Конвенции о биологическом разнообразии, была создана Национальная система безопасности, включающая законодательную и нормативно-регламентную составляющие регулирования безопасности генно-инженерной деятельности и направленная на охрану здоровья человека и окружающей среды. Действие законодательных актов нацелено на создание правовых и организационных основ безопасности, проводимой в научных учреждениях деятельности, а также на объективную оценку потенциальных рисков генно-инженерных организмов, только выпускаемых для экологических испытаний в полевых условиях и высвобождаемых на рынок.

По белорусскому законодательству процедура оценки экологических рисков и рисков для здоровья человека проводится дважды. Первый раз стандартная процедура оценки рисков [14] проводится перед высвобождением генетически модифицированного организма в окружающую среду для проведения испытаний на специально оборудованных опытных полях, соответствующих мировым требованиям биобезопасности. Для этого научная организация-заявитель представляет в экспертный совет Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды полное исследование об оценке риска возможных вредных воздействий созданного генно-инженерного организма, которое далее оценивается одним из экспертов либо экспертами из числа научных учреждений, компетентных в данной области, после чего рассматривается на заседании экспертного совета Минприроды, на котором решается, допустимо либо нет высвобождение такого организма. Повторно риски оцениваются перед выпуском генетически модифицированных организмов в сельскохозяйственное производство. У генно-инженерных организмов, прошедших полный цикл исследований и допущенных на рынок, не должно быть выявлено отрицательных эффектов на здоровье человека. Вся информация по оценке рисков размещается в свободном доступе на вебсайте Национального координационного центра биобезопасности Республики Беларусь (http://www.biosafety.by). Национальный координационный центр биобезопасности был создан в 1998 г. с целью обеспечения эффективного участия Республики Беларусь в решении глобальной проблемы сохранения биологического разнообразия и координации деятельности, связанной с безопасностью использования достижений современной биотехнологии.

Выводы

Современная мировая тенденция по разработке способов защиты растений связана с наращиванием темпов создания и внедрения в практику трансгенных организмов, в геном которых интегрированы чужеродные гены, обеспечивающие их устойчивость к насекомым-вредителям и патогенам. Использование генноинженерных методов, направленных на снижение биогенных агроэкологических рисков, порождает в свою очередь опасения, связанные как со способностью генетически модифицированных организмов оказать неблагоприятное воздействие на сохранение и устойчивое использование биологического разнообразия, так и возникновением рисков для здоровья человека. Следует отметить, что сам по себе встроенный ген не несет рисков, поскольку состоит из последовательности нуклеотидов, которые одинаковы у всех живых организмов. Потенциальные риски могут возникать из-за неспецифического встраивания нового гена в геноме растения, т.е. вставка может произойти в любом участке ДНК. Результатом вставки могут быть как благоприятные, так и нежелательные последствия. Если чужеродный ген встраивается в область ДНК, которая уже кодирует какой-то ген, то это может привести к его замолканию, и, как следствие, к прекращению синтеза определенного вещества, чего не должно наблюдаться при встраивании нового гена в молчащий участок генома. Если исходный немодифицированный организм, в который трансформируется новый ген, изначально обладает нежелательными признаками, то при интеграции гена такие свойства могут усилиться. Именно поэтому обязательно при оценке рисков для здоровья человека проводятся аллергологические и токсилогические специализированные тесты, в том числе исследования на животных. При этом длительность исследований будет увеличена в том случае, если родительский организм, в который встроен новый ген, изначально обладает аллергенностью, имеет повышенный уровень антипитательных веществ (например, соя), так как при встройке гена они могут усилиться. Также обязательной является разработка молекулярного метода, позволяющего эффективно выявлять и прослеживать в дальнейшем распространение на рынке созданного генетически модифицированного организма и продукты, получаемые на его основе. В настоящее время в республике функционируют 18 специализированных лабораторий по дететкции генетически модифицированных организмов, аккредитованных по государственным или международным стандартам. Другая группа потенциальных рисков связана с безопасностью использования генно-инженерных организмов. Поскольку при высвобождении в окружающую среду трансгенные растения начинают размножаться, то должны быть оценены риски, связанные с последствием переноса трансгена при опылении для близкородственных культурных и диких видов. Поэтому разрабатываемые трансгенные организмы в обязательном порядке проходят экспертную оценку, предполагающую рассмотрение всех потенциальных экологических рисков и рисков для здоровья человека, которые могут появиться в связи со встройкой конкретного нового гена и тем новым признаком, который будет проявляться. При высвобождении в окружающую среду трансгенных растений должна быть полная научная уверенность в отсутствии угрозы серьезного или необратимого ущерба. Подводя итог вопросу возможных потенциальных рисков, связанных с использованием организмов и продуктов генных технологий, хотелось бы отметить, что все получаемые в Республике Беларусь трансгенные линии картофеля проходят исследования в лабораторных условиях и на опытных полях, соответствующих требованиям безопасности. Поскольку картофель является интродуцированным видом для Беларуси, то отсутствует возможность неконтролируемого переноса его генетического материала, в т.ч. и трансгенного, диким видам растений, произрастающим в естественных биоценозах. Потребность использования генно-инженерных методов связана с обострением биогенных агроэкологических рисков, в снижении которых важным подходом является стратегия упреждающей интрогрессивной селекции, основанной на клеточно-инженерных и молекулярных методах.

References

1. BELSTAT. Available from: http://www.belstat.gov.by/ofitsialnaya-statistika/ [Accessed 1st August 2019].

2. FAOSTAT. Available from: http://www.fao.Org/faostat/ru/#data/QC [Accessed 29th October 2019].

3. Khavkin EE. Resistance of potatoes to black eye rot by view of molecular biotechnologist. In: Kharchenko PN. (ed.) Problemy agrobiotekhnologii [Problems of agrobiotechnology]. Moscow: VNIISB Publ.; 2012. p. 69--92. (In Russ).

4. Dyakov YT, Elanskiy SN. Population genetics Phytophthora infestans. In: Dyakov YT, Sergeeva YV. (ed.) Mikologiya segodnya [Mycology today]. Moscow: National Mycology Academy Publ.; 2007. 1:107--139. (In Russ).

5. Chashinskiy AV. Mexican varieties S. stoloniferum and S. polytrichon for creation of initial material resistant to black eye rot. In: Turko SA. (ed.) Kartofelevodstvo [Potato Growing]. Minsk: Research and Practical Centre of National Academy of Sciences of Belarus for Potato, Fruit and Vegetable Growing; 2015. 23:56--68. (In Russ).

6. Fadina OA, Beketova MP, Sokolova EA, Kuznetsova MA, Smetanina TI, Rogozina EV, Khavkin EE. Anticipatory breeding: molecular markers as a tool in developing donors of potato (Solanum tuberosum L.) late blight resistance from complex interspecific hybrids. Agricultural Biology.2017; 52(1):84--94. (In Russ). doi: 10.15389/agrobiology.2017.1.84rus

7. Yakovleva GA. Somatic hybridization and cell selection of potatoes (Solanum tuberosum L.). In: Kilchevskij AV, Khotyleva LV. (ed.) Biotekhnologiya v selektsii rastenii. Kletochnaya inzheneriya [Biotechnology in plant breeding. Cell engineering]. Minsk: Belorusskaya nauka Publ.; 2012. 3:217--250. (In Russ).

8. Yakovleva GA, Semanyuk TV, Kondratyuk AV, Bashko DV, Rodkina IA. Genital breeding of somatic hybrids and new potatoes initial forms creation. In: Turko SA. (ed.) Kartofelevodstvo [Potato Growing]. Minsk: Research and Practical Centre of National Academy of Sciences of Belarus for Potato, Fruit and Vegetable Growing; 2017. 25:94--104. (In Russ).

9. Jacobsen E, Schouten HJ. Cisgenesis, a new tool for traditional plant breeding, should be exempted from the regulation on genetically modified organisms in a step by step approach. Potato Research. 2008; 51:75--88. doi: 10.1007/s11540-008-9097-y

10. Yankovskaya EN, Vojtka DV, Brechko EV, Elisovetskaya DS, Nastas TN. Ontogenetic peculiarities of colorado potato beetle susceptibility to bio-preparation and plant extracts. In: Turko SA. (ed.) Kartofelevodstvo [Potato Growing]. Minsk: Research and Practical Centre of National Academy of Sciences of Belarus for Potato, Fruit and Vegetable Growing; 2014; 22:78--88. (In Russ).

11. Perlak FJ, Stone TB, Muskopf YM, Petersen LJ, Parker GB, McPherson SA, Wyman J, Love S, Reed G, Biever D, Fischhoff DA. Genetically improved potatoes: protection from damage by colorado potato beetles. Plant Molecular Biology. 1993; 22(2):313--321. doi: 10.1007/BF00014938

12. James C, Krattiger AF. Global Review of the Field Testing and Commercialization of Transgenic Plants, 1986 to 1995: The First Decade of Crop Biotechnology. ISAAA Briefs No 1. Ithaca, NY: ISAAA; 1996.

13. ISAAA. Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops: 2016. ISAAA Brief No. 52. Ithaca, NY: ISAAA; 2016.

14. Mozgova GV. Otsenka riskov vozdeistviya GMO na sokhranenie I ustoichivoe ispol'zovanie biologicheskogo raznoobraziya, s uchetom riskov dlya zdorov'ya cheloveka [Risk assessment of the impact of GMOs on the conservation and sustainable use of biological diversity, considering risks to human health]. Minsk: Pravoiekonomika Publ.; 2014. (In Russ).

Библиографический список

1. Национальный статистический комитет Республики Беларусь. Режим доступа: http://www.belstat.gov.by/ofitsialnaya-statistika/. Дата обращения: 01.08.2019.

2. FAOSTAT // Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН. Режим доступа: http://www.fao.org/faostat/ru/#data/QC Дата обращения: 29.10.2019.

3. Хавкин Э.Е. Устойчивость картофеля к фитофторозу глазами молекулярного биотехнолога // Проблемы агробиотехнологии / под ред. П.Н. Харченко. М.: ВНИИСБ, 2012. С. 69--92.

4. ДьяковЮ.Т., Еланский С.Н. Популяционная генетика Phytophthora infestans // Микология сегодня / под ред. Ю.Т. Дьякова, Ю.В. Сергеева. М.: Национальная академия микологии, 2007. Т. 1. С. 107--139.

5. Чашинский А.В. Использование мексиканских видов S. stoloniferum и S. polytrichon при создании исходного материала, устойчивого к фитофторозу // Картофелеводство: сб. науч. тр. / под ред. С.А. Турко. Минск: Науч.-практ. центр Нац. акад. наук Беларуси по картофелеводству и плодоовощеводству, 2015. Т. 23. С. 56--68.

6. Фадина О.А., Бекетова М.П., Соколова Е.А., Кузнецова М.А., Т.И. Сметанина Т.И., Рогозина Е.В., Хавкин Э.Е. Упреждающая селекция: использование молекулярных маркеров при создании доноров устойчивости картофеля (Solanum tuberosum L.) к фитофторозу на основе сложных межвидовых гибридов // Сельскохозяйственная биология. 2017. Т. 52. № 1. С. 84--94. doi: 10.15389/agrobiology.2017.1.84rus

7. Яковлева Г.А. Соматическая гибридизация и клеточная селекция картофеля (Solanum tuberosum L.) // Биотехнология в селекции растений. Клеточная инженерия / науч. ред. А.В. Кильчевский, Л.В. Хотылева. Минск: Белорусская наука, 2012. Т. 3. С. 217--250.

8. Яковлева Г.А., Семанюк Т.В., Кондратюк А.В., Башко Д.В., Родькина И.А. Селекция генеративного потомства соматических гибридов и создание новых исходных форм картофеля // Картофелеводство: сб. науч. тр. / под ред. С.А. Турко. Минск: Науч.-практ. центр Нац. акад. наук Беларуси по картофелеводству и плодоовощеводству, 2017. Т. 25. С. 94--104.

9. Jacobsen E., Schouten H.J. Cisgenesis, a new tool for traditional plant breeding, should be exempted from the regulation on genetically modified organisms in a step by step approach // Potato Research. 2008. Vol. 51. P. 75--88. doi: 10.1007/s11540-008-9097-y

10. Янковская Е.Н., Войтка Д.В., Бречко Е.В., Елисовецкая Д.С., Настас Т.Н. Онтогенетические особенности восприимчивости колорадского жука к воздействию биопрепаратов и растительных экстрактов // под ред. С.А. Турко. Минск: Науч.-практ. центр Нац. акад. наук Беларуси по картофелеводству и плодоовощеводству, 2014. Т. 22. С. 78--88.

11. Perlak F.J., Stone T.B., Muskopf Y.M., Petersen L.J., Parker G.B., McPherson S.A., Wyman J., Love S., Reed G., Biever D., Fischhoff D.A. Genetically improved potatoes: protection from damage by colorado potato beetles // Plant Molecular Biology. 1993. Vol. 22. No. 2. P. 313-- 321. doi: 10.1007/BF00014938

12. James C., Krattiger A.F. Global Review of the Field Testing and Commercialization of Transgenic Plants, 1986 to 1995: The First Decade of Crop Biotechnology // ISAAA Briefs No. 1. ISAAA: Ithaca, NY, 1996. 31 p. Available from: http://www.isaaa.org/resources/publications/ briefs/01/download/isaaa-brief-01-1996.pdf

13. Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops: 2016. ISAAA Brief No. 52. ISAAA: Ithaca, NY, 2016. 135 p. Available from: http://www.isaaa.org/resources/publications/briefs/ 52/download/isaaa-brief-52-2016.pdf

14. Мозгова Г.В. Оценка рисков воздействия ГМО на сохранение и устойчивое использование биологического разнообразия, с учетом рисков для здоровья человека. Минск: Право и экономика, 2014. 58 с.

Размещено на Allbest.ru