Спецможливості
Технології

Роль біотехнологій у рослинництві для світової системи продовольчого забезпечення

05.06.2008
169
Роль біотехнологій у рослинництві для світової системи продовольчого забезпечення фото, ілюстрація
Роль біотехнологій у рослинництві для світової системи продовольчого забезпечення

Протягом останніх 10 тисяч років людство використовувало рослини, які давала йому природа, і модифікувало їх за допомогою селекції, щоб одержати бажані характеристики, такі як поліпшені смакові якості, підвищена врожайність чи стійкість до хвороб. Результатом цієї діяльності стало те, що рослини, які ми споживаємо сьогодні, навряд чи впізнали б наші далекі предки. Вчені вважають, що біотехнологія прийде на допомогу традиційній селекції, оскільки має набагато потужніший потенціал, що забезпечить такі переваги, як висока врожайність, поліпшені смакові якості та інтенсивне впровадження екологічно чистих методів господарювання. Біотехнологічні методики вже стали у нагоді медицині. Практично весь інсулін, яким сьогодні лікують діабет, одержують за допомогою біотехнології та генної інженерії. Це стосується і багатьох препаратів, які призначають при злоякісних новоутвореннях і серцевих захворюваннях.

Розвиток біотехнології у рослинництві
Кукурудза походить з Мексики. Її предок — трава теосінте — має невеликі репродуктивні структури, які мало нагадують ті качани, які ми сьогодні бачимо на полицях крамниць усього світу. Помідор і картопля — теж родом з Південної Америки: перший нагадував невеличку ягоду завбільшки з вишню, а друга — вузлуваті кореневища з високим вмістом цілого спектра речовин з родини глікоалкалоїдів, гірких на смак і токсичних для людини.

Задоволення смаків і вимог споживачів або набуття цими та сотнями інших культур бажаних властивостей (наприклад, високої врожайності, стійкості до шкідників і хвороб або здатності витримувати посуху та інші негативні впливи навколишнього середовища) шляхом селекційного відбору, здійсненого нашими предками, привело до зміни їхніх розмірів, кольору та хімічного складу. Змінилися не лише зовнішній вигляд і хімічний склад цих рослин. Унаслідок людської міграції та торгівлі вони розповсюдилися по всій Земній кулі. Наприклад, огірки, які вперше стали відомі в Європі, нині вирощують на кожному континенті, де живуть люди. Коли сьогоднішній покупець у будь-якому куточку світу потрапляє на базар, він бачить у дії сучасну глобальну систему продовольчого забезпечення, коли харчові продукти, вироблені в різних регіонах планети, щодня постачаються на локальні ринки.

Тепер ми знаємо, що наші давні предки модифікували генетичний профіль рослин, переносячи генетичний матеріал від однієї рослини до іншої. Проте основні закони спадковості були відкриті лише у 1800-х роках, коли австрійський ченець Грегор Мендель провів свої досліди з садовим горохом. До початку 1900-х років селекційна робота велася традиційним методом, подібним до того, що його практикував Мендель. Він грунтувався на штучному схрещуванні, коли пилок рослини одного виду переносили на квітку іншого статевосумісного виду. Метою було виокремлення бажаних рис однієї рослини і прищеплювання їх іншій. Проте часто потрібні характеристики або були відсутні у статевосумісних рослин, або не існували у жодного з відомих видів. Це змусило селекціонерів шукати нові шляхи перенесення бажаних генів.

У 1930-х роках селекціонери рослин розробили кілька методик, які дали їм змогу одержувати гібриди двох батьківських рослин, які у звичайних умовах не могли давати життєздатного потомства. Одна з таких методик, яка одержала назву “виходжування зародка”, передбачала особливий догляд за ембріоном рослини в лабораторних умовах задля забезпечення його виживання на ранніх стадіях розвитку.

У 1950-х роках в арсеналі селекціонерів з’явився метод, який давав можливість створювати варіації генетичної структури рослинного організму в перебігу так званої “мутаційної селекції”. Мутації у генетичному коді рослин постійно відбуваються у природних умовах через вплив таких факторів, як сонячне випромінювання. Вони мають випадковий характер і можуть приводити до появи нових корисних властивостей. Мутаційна селекція грунтується на такому ж випадковому процесі зміни генетичного коду. Отримані рослини піддають ретельному аналізу, щоб упевнитися, що мутації відбулися і привели до появи позитивних якостей, наприклад, стійкості до хвороб або шкідників. Якщо рослина “поліпшилася”, її випробовують на наявність інших змін, які могли відбутися. Багато культурних рослин, до яких ми звикли і які щодня вживаємо в їжу, одержані саме завдяки використанню методик виходжування зародка та мутаційної селекції, і практично всі продукти харчування, які ми їмо, містять у собі генетичну інформацію.

Важко навести приклад культурної рослини, яка б у розвинутих країнах світу не була тією чи іншою мірою удосконалена із застосуванням одного з різновидів сучасної технології, яку можна назвати “біотехнологією”. Біотехнологія — це комплекс методів, які використовують живі організми або їхні компоненти для виготовлення або модифікації продуктів, поліпшення якостей рослин або тварин або виведення штамів мікроорганізмів зі специфічними властивостями. Це визначення охоплює всі види людської діяльності, об’єктом якої є живі істоти: від селекціонування рослин у тому вигляді, який воно мало 10 тисяч років тому, до витончених сучасних методик. Саме тому селекціонери вважають термін “генетично модифікований організм” некоректним, адже всі нині відомі культурні рослини є вельми істотно модифікованими.

Наукові засади сучасної генної інженерії
Генна інженерія — це одна з форм біотехнології, яка грунтується на перенесенні певних генів від одного живого організму — рослини, тварини чи мікроба — до іншого. При цьому невелика кількість генетичного матеріалу (ДНК) вноситься в клітину іншого організму з метою одержання бажаного ефекту. Цим вона відрізняється від традиційної селекції рослин, під час якої всі гени — як бажані, так і небажані — переносяться з пилком від чоловічої рослини до жіночої. Потомство, одержане внаслідок такого схрещування, може містити гени, відповідальні за позитивні властивості, проте часто вони поєднуються з багатьма небажаними генами, успадкованими від обох батьків.

Перевага генної інженерії полягає в тому, що вона дає змогу переносити тільки потрібні гени і набагато прискорювати селекційний процес. Але генна інженерія значно потужніша за традиційну селекцію ще й тому, що вона дає можливість переміщувати гени між рослинами не лише споріднених, а й генеалогічно віддалених видів, і навіть впроваджувати у геном рослин генетичний матеріал, взятий від нерослинних організмів. Це вдається зробити завдяки тому, що всі живі істоти мають генетичний код, організований у вигляді молекул ДНК, і в однаковий спосіб синтезують білки та здійснюють інші життєво важливі функції. Організми, які зовні здаються зовсім не схожими, можуть виявитися дуже подібними, принаймні на молекулярному рівні. Всі живі створіння мають у собі більше схожого, аніж відмінного, і в цьому криється одне з пояснень, чому гени легко вдається переносити між такими, здавалося б, різними клітинами, як рослинні і бактеріальні. Немає генів, унікальних для тієї чи іншої істоти, тому в природі не існує “генів томатів” або “генів бактерій”. У бактеріях і томатах є не один ген, а певний набір генів, який власне і робить їх бактеріями або томатами. В міру розширення наших знань про генетичний код різних біологічних видів ми усвідомлюємо, що більшість рослин відрізняється одна від одної лише невеликим відсотком генів, і навіть такі, на перший погляд, відмінні організми, як томати і бактерії, мають багато спільних генів. Ці дані наштовхують на думку, що на певних етапах тривалої еволюції навіть томати і бактерії колись мали спільного предка.

Після відриття п’ятдесят років тому структури ДНК науковці швидко дійшли висновку, що можна брати сегменти ДНК, які несуть відповідальність за певні характеристики організму, тобто гени, і переносити їх у клітини інших біологічних видів. У 1972 році Х’юберт Бойєр і Стенлі Коен уперше виокремили ген і перенесли його до одноклітинної бактерії, яка, внаслідок експресії цього гена, почала синтезувати протеїн. Їхнє відкриття привело до першого практичного застосування біотехнології — виробництва синтетичного інсуліну для лікування хворих на діабет — і дало поштовх прикладним дослідженням, які часто називають сучасною біотехнологією.

Рослини вперше були видозмінені за допомогою генної інженерії наприкінці 1970-х років. Мері-Делл Чілтон разом зі своїми колегами використали поширену грунтову бактерію Agrobacterium tumefaciens, яка, потрапляючи на рослину, передає деякі фрагменти своєї ДНК у рослинні клітини. Чілтон з колегами додали сторонній ген до цієї бактерії, який та, своєю чергою, передала рослині, після чого він став частиною рослинної ДНК. Цю бактерію й досі використовують в генній інженерії разом з іншими методиками швидкого введення ДНК у рослинні клітини. Всі вони дають однаковий результат: рослинна клітина сприймає впроваджений в неї ген і починає експресувати його як свій власний.

Переваги і ризики
Сорти, одержані за допомогою генної інженерії, вперше були вирощені 1996 року в Сполучених Штатах на площі 1,7 млн га. У 2002 році під них було відведено 58,7 млн га у 16 країнах світу. Поки що основним мотивом вирощування цих культур є протидія хворобам, шкідникам і бур’янам. Боротьба з бур’янами при вирощуванні генетично модифікованих рослин базується на тому, що останні синтезують модифікований ензим (протеїн), що дає їм змогу виживати після внесення гербіциду, який діє саме на цей ензим. Фермери мають змогу висіяти стійке до гербіцидів насіння, дочекатися появи сходів (як сільськогосподарської культури, так і бур’янів), а потім обробити посівні площі гербіцидом. Бур’яни загинуть, а висіяна культура ростиме. Перевага для фермера полягає у тому, що він витрачає менше часу на боротьбу з бур’янами і досягає кращої чистоти посівів, не лише застосовуючи менш токсичні гербіциди, а й у багатьох випадках вносячи меншу їх кількість. Крім того, ця технологія дає можливість використовувати ощадливіші технології обробітку грунту, зокрема обходитися без оранки або зменшувати її глибину, що сприяє збереженню структури грунту, затримує в ньому вологу та зменшує його ерозію. Стійкі до гербіцидів культури (сою, канолу, бавовник і кукурудзу) у 2002 році вирощували на площі 48,6 млн га.

Стійкі до шкідників сорти були одержані біоінженерним шляхом за допомогою поширеної грунтової бактерії Bacillus thuringiensis (Bt), яку протягом понад п’ятдесят років використовують у промисловому виробництві інсектицидних аерозолів. Цей мікроорганізм є нешкідливим для людини, проте коли він потрапляє у травний канал комахи, його протеїни зв’язуються зі специфічними молекулярними рецепторами кишки шкідника, внаслідок чого у ній утворюються пори і комаха гине від голоду.

Комерційне використання препаратів на основі Bt почалося наприкінці 1930-х років у Франції, але навіть у 1999 році на них припадало менше 2% загального обсягу світового продажу інсектицидів. Bt, який раніше використовували як листковий інсектицид, став основним засобом захисту рослин лише після того, як гени, відповідальні за синтез Bt-токсину, було введено у генетичний код основних сільськогосподарських культур. Нині широко використовують Bt-сорти кукурудзи та бавовнику, які у 2002 році вирощували на загальній площі 14,5 млн га. Стійкі до вірусів сорти були створені шляхом введення у рослинну клітину невірулентних компонентів хвороботворного вірусу, внаслідок чого було досягнуто ефекту своєрідної вакцинації проти збудника. Ця методика називається виробленням стійкості за допомогою патогенів. З її допомогою виведено стійкі до вірусів сорти гарбуза і папайї, які були дозволені до продажу в США. Їх вирощують на площах приблизно в 1 млн га.

Культури, одержані за допомогою біоінженерії, нині відкривають перед сільськогосподарськими виробниками нові можливості у боротьбі зі шкідниками та хворобами рослин. Як з будь-якою технологією, тут є ризики та вигоди, пов’язані з генетично модифікованими рослинами, проте наявні дані свідчать, що використання генетично модифікованих сортів дає змогу підвищити ефективність боротьби з хворобами, шкідниками та бур’янами, істотно скоротити витрати пестицидів, використовувати менш токсичні засоби захисту рослин і зменшити загрозу від їхнього застосування для людини та довкілля. Нормативно-правова база, що регламентує створення і вирощування цих сортів, буде вдосконалюватися у міру того, як розвиватиметься сама технологія і наукове співтовариство більше дізнаватиметься про неї та її вплив на людину і навколишнє середовище.

Багато з найсуперечливіших аспектів генної інженерії рослин, таких як стійкість до пестицидів, перенос генів та питання інтелектуальної власності, не є специфічними для цієї нової технології і стосуються всієї сільськогосподарської науки. Деякі види комах виробили стійкість до Bt-аерозолів, а це свідчить про те, що окремі шкідники можуть стати резистентними і до Bt-рослин. Однак, незважаючи на те, що Bt-сорти з 1996 по 2002 роки культивувалися у всьому світі на площах понад 62 млн га, не було зареєстровано жодного випадку розвитку резистентності. Причиною цього є, очевидно, не лише біологічні чинники, які визначають взаємодію комах і Bt-рослин, а й те, що у США державний регуляторний орган — Агентство з захисту навколишнього середовища — вимагає розробки плану запобігання розвитку резистентності при впровадженні Bt-сортів. Під такі суворі вимоги не підпадає жоден інший інсектицид. І все ж сільськогосподарські виробники, компанії та регуляторні агентства повинні пильно стежити за розвитком резистентності до біотехнологічних сортів, виведених з метою протидії шкідникам, вірусам і бур’янам, так само, як вони повинні це робити щодо інших технологій захисту рослин.

Важливо розглянути сумарний позитивний ефект для людини і довкілля, що його справлятимуть біотехнологічні сорти, перш ніж сформується резистентність до них, а також шляхи подолання цієї резистентності у разі її виникнення. Окрім резистентності до пестицидів, проблемою може бути перенос генів від біотехнологічних до традиційних культур. Ймовірність переопилення сої є дуже малою, тому ризик схрещування генетично модифікованої сої зі звичайною є мінімальним, але цього не можна стверджувати щодо інших культур. І якщо гени біотехнологічних культур, що забезпечують такі захисні властивості, як стійкість до шкідників, потраплять у геном небіотехнологічних рослин, наприклад бур’янів, слід буде оцінити наслідки появи в екосистемі таких бур’янів. Ці ж питання стосуються і небіотехнологічних культур, але вони не привертають до себе такої уваги, як у разі генетично модифікованих культур, через наявність гучного громадського резонансу довкола останніх.

Подальші перспективи
У майбутньому потенціал використання біотехнології у рослинництві значно розшириться і не обмежуватиметься самим лише виведенням культур з підвищеною стійкістю. Розробляються рослини, які зможуть виконувати роль “фабрик” ліків, засобів очищення токсичних звалищ, альтернативних джерел енергії та біоматеріалів, таких як барвники, миючі засоби, клеї, мастила, пластмаси тощо. Споживачі можуть розглядати ці продукти як такі, що підвищують якість їхнього життя краще, аніж сучасні, стійкі до шкідників і хвороб, культури.

Переваги генної інженерії для споживача проявляться ще рельєфніше, коли рослини будуть генетично модифіковані для одержання ліків або міститимуть підвищену кількість необхідних вітамінів і мікроелементів. Для того щоб оцінити всі переваги і ризики біотехнології у сільському господарстві, потрібна неупереджена дискусія поінформованих сторін, яка допоможе визначити роль цього новітнього напряму в майбутньому нашої системи продовольчого забезпечення та охорони здоров’я. Немає підстав вважати, що технологія, в тому числі біотехнологія, повністю вирішить усі проблеми світового сільського господарства. Проте ті, хто знає про можливості біотехнології, переконані, що вона є важливим компонентом їх вирішення.

А. Шелтон,
проф. ентомології,
Корнуелльський університет,
сільськогосподарська
дослідна станція штату Нью-Йорк

Інтерв'ю
У розвинених країнах агрострахування вже давно застосовується як ефективний інструмент розвитку агробізнесу, в Україні страхування ризиків сільського господарства все ще знаходиться на стадії розвитку
Голова асоціації «Укрцукор», голова ГС «Всеукраїнська аграрна рада», а також лідер низки громадських асоціацій Андрій Дикун у ході І Міжнародного конгресу для виробників і переробників цукрових

1
0