PERSPEKTIVY A RIZIKA PĚSTOVÁNÍ TRANSGENNÍCH ROSTLIN

Perspectives and risks in growing of transgenic plants

J. Černý

Česká zemědělská univerzita v Praze

Transgenní rostliny, označované rovněž jako geneticky modifikované organismy (GMO), se stávají novým fenoménem naší současnosti. Tuto skutečnost potvrzuje povolení k 21.7.2000 celkem 36 polních pokusů s transgenními rostlinami, respektive odrůdami, zkoušenými pro registraci odrůd (31 odrůda), či pro výzkumné a šlechtitelské pokusy (5 pokusů).

Tvorba transgenních odrůd kulturních rostlin překonává zásadně novým způsobem zásahy na buněčné a genové úrovni omezení vzdálené hybridizace, projevující se nekřižitelností představitelů různých druhů, rodů či ještě vyšších taxonů. Podstatou této tvorby je přenos jednotlivého či jednotlivých genů z jednoho do druhého taxonu, kupř. bakteriálních genů do genomu vyšších rostlin.

Využívání transgenních organismů - mikrobů, rostlin i živočichů představuje podle mínění řady filosofů, sociologů a ekonomů nový stupeň ekonomického a sociálního vývoje lidstva, s analogickými důsledky jaké přinesla neolitická revoluce, či průmyslová revoluce charakterizovaná současnou jadernou technikou a informatikou. Celkový genofond Země, tj. geny rostlin a živočichů, se stává zcela novým surovinovým zdrojem, poskytujícím nové kultury rostlin i živočichů překročením barier vzdálené hybridizace. Svědčí o tom realizace takových biotechnologií jako je produkce léků a vakcín transgenními rostlinami.

Transgenoze není nepřirozeným způsobem rozšíření genetické proměnlivosti. Vyskytuje se běžně bez zásahu člověka u půdních bakterií Agrobacterium tumifaciens a Agrobacterium rhizoides. Ti (tumor inducing - nádory vyvolávající) plasmidy těchto bakterií jsou schopné část své DNA tzn. T-DNA (transferred - přenášenou DNA) integrovat do chromozomu vyšších rostlin ku příkladu tabáku. Onkogenní a opinové geny plazmidů, vyvolávají u příjemce, tj. tabáku tvorbu nádorů a v nich produkci opinů, tj. zdrojů dusíku a uhlíku, využívaných půdními bakteriemi. Jde v podstatě o genetický parazitismus bakterií na hostiteli - rostlině.

Člověkem řízená transgenoze využívá zmíněné T-DNA bakteriálních plazmidů, k transportu žádaných genů, sekvencí DNA různého původu, které v plazmidové DNA nahrazují opinové a onkogenní geny.

Předpokladem genového inženýrství, vytváření transgenních rostlin, se stalo využívání enzymů, tzv. restrikčních endonukleáz. Tyto enzymy řežou dvojité nitě DNA na dílčí úseky, segmenty, které často představují jednotlivé geny. Získané segmenty lze spojovat s cizorodou DNA pomocí enzymů ligáz. Vznikají tak rekombinované molekuly DNA obsahující DNA příjemce a segment T-DNA plazmidu nesoucí žádaný transgen.

Segmenty s transgeny je možné replikovat, množit v bakteriálních plazmidech.

Dalším předpokladem tvorby transgenních rostlin je lokalizace hledaných transgenů pomocí enzymu reverzní transkriptázy. Podstata určení hledaného genu spočívá v izolaci mRNA, odpovědné za specifickou bílkovinu, v syntéze tzv. cDNA (complementary DNA) na matrici zmíněné mRNA pomocí transkriptázy a v hybridizaci získané cDNA s dříve izolovanými sekvencemi DNA. Hybridizace cDNA s určitým známým segmentem DNA umožňuje identifikovat a izolovat hledaný gen.

Kromě biologických vektorů jako plasmidy, či retroviry, se používají k transgenozi fyzikální a chemické postupy jako je přímé vnášení cizí DNA do buněk, jader hostitele.

Pro transgenozi pomocí plazmidové T-DNA je nutná inkorporace transgenní DNA do plazmidu společně s regulační sekvencí příjemce, která jako promotor je nezbytná pro transkripci genetické informace, uložené v DNA transgenu.

Přenos transgenů z plazmidů do cílové rostliny příjemce se uskutečňuje kultivací bakterií Agrobacterium s T-DNA transgeny spolu se sterilními segmenty rostlin na živém mediu, obohaceném fytohormony a selekčními agens jako jsou antibiotika či herbicidy, umožňujícími růst a množení pouze rezistentních transformovaných buněk. Proliferací transformovaných rostlinných buněk dochází pak k regeneraci transgenních rostlin.

V současné době se využívají v zahraničí registrované transgenní odrůdy odolné k herbicidům, k virovým chorobám, odolné škůdcům, se zvýšeným obsahem a žádanou skladbou bílkovin, škrobu a olejů, s pylovou sterilitou a s fyziologickými změnami jako prodloužené dozrávání plodů rajčete (tabulka 1). Dosud zkoušené transgenní odrůdy před jejich registrací uvádí tabulka 2.

Tabulka 1: Transgenní odrůdy registrované v zahraničí do roku 1988

Některé typy transgenní plodiny existují ve více odrůdách, které byly často získány různými firmami.

Tabulka 2: Transgenní odrůdy, zkoušené v zahraničí pro registraci

Transgenní rostliny odolné k herbicidům využívají kupříkladu transgenů z mikrobů Agrobacterium, Streptomyces a z huseníčku Arabidopsis. Odolnost k virům je podmiňována vnesením do genomu kulturních rostlin virového transgenu pro plášťový virový protein, vyvolávající odolnost k viru, ze kterého pochází gen pro plášťový protein.

Jiným způsobem získání rezistence k virovým chorobám kulturních rostlin je využití antisens RNA, která jako komplementární vůči mRNA vytváří hybridní, nefunkční duplex. Blokáda mRNA transkriptů znemožňuje množení virových částic.

Značného rozsahu nabylo pěstování transgenních odrůd různých plodin odolných k hmyzím škůdcům jako je zavíječ, či mandelinka. Odolnost je v těchto případech podmiňována transgenem pro delta endotoxiny z Bacillus thuringiensis.

Výrazného zvýšení výnosu škrobu u bramboru až o 40 % bylo dosaženo využitím transgenu pro ADP - glukoso - pyrofosforylázu z Escherichia coli. Vnesením antisens konstrukce ke genu pro enzym ACP desaturazu se zvýšil u řepky olejky obsah kyseliny stearové ze 2 % na 40 %. Transgen pro desaturazu ze sinice Synechocystis u téže olejniny významně zvýšil obsah kyseliny linolenové.

Syntetický gen pro methionin zvýšil významně obsah bílkovin a obsah methioninu u sladkých bramborů - batátů. Transgeny pro kukuřičný zein a rýžový prolamin zvýšily analogicky u řepky a fazolu obsah methioninu o 28 %, resp. o 20 %.

Transgenní odrůda rajčete FLVR SAVR s prodlouženou dobou dozrávání byla získána pomocí antisens konstrukce genu pro enzym polygalakturonaza, řídící rozklad pektinů. Obdobně byl u rajčete inaktivován gen pro syntézu plynného rostlinného hormonu, tj. etylénu antisens konstrukcí. Výsledkem jsou velké a zelené plody transgenních rostlin, umožňující jednorázovou sklizeň, vhodné pro transport, dozrávající po transportu v kontejnerech s ethylenem.

Transgen antisens sekvence pro enzym polyfenol oxidáza podstatně snížil tmavnutí hlíz bramboru. Transgeny antisens konstrukcí umožnily získat transgenní rostliny máku bez morfinu, či kávovníku bez kofeinu.

Značný ekonomický význam má využití transgenů indukujících pylovou sterilitu, či apomiktické rozmnožování v produkci heterozního osiva. Produkce hybridního, heterozního osiva řepky olejky využívá k vyvolání pylové sterility transgenu BAR z Bacillus amyloliquefaciens. Transgen BAR se nachází v jednom konstruktu společně s dalším transgenem PAT z půdních mikroorganismů Streptomyces, který inaktivuje herbicidy BASTA a LIBERTY s účinnou látkou glufosinate. Mateřský komponent pro výrobu hybridního, heterozního osiva s oběma transgeny je odolný k herbicidu a současně pylově sterilní. Otcovská forma je pylově fertilní, bez transgenu BAR. Po opylení je eliminována herbicidem.

Analogicky systém transgenů rezistence k herbicidům a pylové sterility je využíván při výrobě hybridního, heterozního osiva kukuřice a F1 hybridů zelenin.

Velice nadějné jsou dosavadní pokusy s využitím transgenu apomiktického rozmnožování pro fixaci heterozního efektu. V roce 1998 patentovali Sokolov a Kindiger z ARS Woodward (USA) linie, získané zpětným křížením zdroje genu (ů) pro apomiktické rozmnožování tj. Trypsacum dactyloides s kukuřicí. Tyto linie, obsahující gen (y) pro apomixis jsou transgenozí v současné době převáděny do pšenice, sorga a rýže. Dosud bylo analyzováno cca 215000 segmentů DNA kukuřice a tripsaka, tvořících knihovnu genomové DNA obou druhů. Vzhledem k charakteru apomiktického rozmnožování tj. v podstatě ke vzniku embryí z diploidních mateřských buněk a možnému časovému střídání apomixie s amfimixií je možné optimální heterozygotní genotypy, podmiňující vysoký heterozní efekt generace F1 apomiktickým rozmnožováním trvale fixovat a heterozní, hybridní osivo klonováním semeny reprodukovat.

V současné době se již realizují projekty usilující o využití transgenů z Streptomyces mutans, tj. původce zubního kazu, viru Hepatitis B a transgenu pro enterotoxin Escherichia coli, tj. původce průjmových onemocnění pro výrobu vakcín transgenními rostlinami.

Experimentálně se zkouší produkce vzácných farmakologických látek jako hirundin, bránící srážení krve, dosud získávaný ze slinných žláz pijavky koňské, pomocí transgenních rostlin řepky olejky.

Transgenní rostliny se začínají využívat i pro výrobu zemědělských enzymů. Předpokládá se využití transgenu pro enzym glukanáza z houby Trichoderma reesei. Enzym se používá pro úpravu potravin a pro výrobu piva. Byly rovněž získány transgenní rostliny s transgenem pro alfa - amylázu z Bacillus licheniformis, tj. enzymu pro úpravu škrobu.

Některé bakterie produkují polyestery využitelné jako biodegradovatelné plasty. Bakteriální geny, determinující tyto polyestery, byly přeneseny do rostlin huseníčku (Arabidopsis thaliana).

Modelovým příkladem využití transgenoze pro lidské zdraví je tzv. žlutá rýže. Rýže produkuje beta karoten (provitamin A) pouze v zelených částech rostliny. Nedostatek vitaminu A v endospermu obilek rýže - hlavní potraviny v řadě rozvojových zemí, je původcem dětské slepoty, postihující cca 200 milionů dětí. Jeden bakteriální gen a tři geny z Narcissus pseudonarcissus přenesené do genomu rýže umožňují produkovat beta karoten v rýžových zrnech. Předpokládá se vnesení zmíněných transgenů do dalších obilovin.

Nové technologie přinášejí určité riziko, což platí i pro transgenozi, představující zcela novou biotechnologii. Kategorickým imperativem současnosti je zachování biovariability a genofondu živých organismů Země.

Jde o zachování vyváženosti bioekologických systémů a genového surovinového poolu, nezbytného pro genové inženýrství, pro tvorbu transgenních rostlin.

Je proto nutné, vzhledem k možnému riziku nové technologie, požadovat opatrnost při vytváření a využívání transgenních rostlin, pokud není prokázána neškodnost nové technologie. Tomuto požadavku odpovídá systém předběžných povolení a zkoušek před jakýmkoliv experimentálním šířením transgenních organismů, respektive transgenních odrůd.

Důležitým momentem pro přijetí transgenoze obyvatelstvem je kontrola a průhlednost celého postupu vytváření a využívání transgenních rostlin. Situaci vystihuje Chevallier: “Je nutné vyloučit, aby se u biotechnologií opakoval týž scénář, který se v současnosti odehrává v oblasti jaderné energie, tj. zablokování užitečné a nezbytné technologie prostřednictvím projevů iracionálního strachu, plodu neinformovanosti a autoritativního vnucování určité technologie s vyloučením demokratické debaty.”

Srovnání rizik potravin z plodin získaných postupem klasické mutageneze, ku příkladu vyšlechtění mutantní odrůdy ječmene DIAMANT, a transgenozí (tabulka 3) svědčí o nižším riziku transgenních rostlin.

Tabulka 3: Srovnání rizik potravin z plodin připravených

Určitá rizika transgenních odrůd jsou zřejmá a je nutné je respektovat.

Transgeny rezistence k herbicidům mohou produkovat proteiny, které působí na člověka toxicky či alergenně. Pro přírodní prostředí se může stát nebezpečným přenos transgenů rezistence k herbicidu do příbuzných plevelných druhů, které tak mohou získat selekční výhodu. Je možné očekávat přenos transgenů rezistence k herbicidům ku příkladu z řepky olejky do genomu plevelné řepice rolní. Spontánní křížení plevelných forem s různými transgeny rezistence k herbicidům může vytvořit plevele s kombinovanou rezistencí. Lze očekávat i to, že v určitých podmínkách se sama transgenní odrůda může stát plevelem, pokud transgenní rostlina nese gen pro potenciálně rizikový gen, pokud v daném prostředí přežívá a rozmnožuje se. Jako možný modelový příklad se uvádí přežívání transgenních bramborů s vícenásobnou rezistencí k herbicidům v mírných zimách v Anglii.

Transgenní rostliny odolné k virům v důsledku přítomnosti transgenu pro plášťový protein mohou při napadení jiným virem generovat tzv. pseudoviriony. Pseudoviriony jsou schopné infikovat rostliny druhů, které původně nebyly hostiteli viru.

Přibližně 0,5 % lidí je alergických na potravní alergeny (frakce proteinů semen luskovin, obilovin, proteiny pylu, živočišné bílkoviny). Proto jsou proteiny produkované transgeny povinně a přísně testovány na degradovatelnost trávícími enzymy a na alergenní vlastnosti. Transgenní rostliny, jejich pěstování a zejména jejich využití jako potravin část populace odmítá. Jedním z důvodů tohoto postoje je tvrzení o jejich zdravotní závadnosti, druhým důvodem je přesvědčení o neetičnosti transgenoze jako nepřirozeného jevu. Experimenty s izolovanými geny při tvorbě transgenních odrůd rostlin jsou bezpečnější a definovatelnější než klasické šlechtění odrůd, operující s delšími úseky DNA, či s celými chromozomy, genomem, jak je tomu při rekombinačním křížení uvnitř druhu, nebo mezi různými druhy, či rody při mutačním šlechtění. Klasické šlechtění ve srovnání s transgenozí poskytuje minimální informaci o realizovaných genetických změnách. Navíc o řadě dalších, případně škodlivých genů nedává žádnou informaci.

Námitka neetičnosti transgenoze je v rozporu s historickým pojetím etiky jako soustavy morálních norem lidského chování. Během vývoje společnosti se tyto normy měnily a mění. Jako příklad lze uvést vztah k antikoncepci, umělým potratům a transplantaci krve a lidských orgánů, či vztah společnosti k experimentům s embryonálními lidskými tkáněmi. Existence přírodních příkladů transgenoze jako je plazmidová transgenoze u agrobakterií, či výroba vakcín transgenními rostlinami, nebo experimentální genová terapie lidských maligních nádorů, založená na vnesení do nádorových buněk tumor supresorových genů, či vnesení genů stimulujících antitumorovou imunitní odpověď, svědčí o přijímání představy a etické nezávadnosti transgenoze a tvorby transgenních odrůd rostlin. Toto pochopení úlohy a významu transgenoze je podporováno kreativitou člověka.

Možnost zneužití transgenních organismů ku příkladu jako biologické zbraně nelze vyloučit. Proto je nutné vyžadovat průhlednost a plnou informovanost o jevu transgenních organismů, právě tak jako otevřenou diskusi o případných hranicích transgenoze. Aplikace těchto požadavků by měla být při vytváření a využívání transgenních organismů součástí vědecké etiky.