BIOTECHNOLOGIE VE ŠLECHTĚNÍ A OCHRANĚ ROSTLIN

RNDr. Kamil Schützner

Hoechst Schering AgrEvo spol. s r. o., Brno

S textem citátů (obr. 1 a 2) se dá plně souhlasit. Není žádným tajemstvím že lidská populace neustále narůstá. Podle dnešních reálných předpovědí lidstvo během příštích 50 let spotřebuje asi dvakrát tolik potravin, než kolik zkonzumovala celá světová populace od doby, co lidé začali před nějakými 10 000 lety cíleně obdělávat půdu. Pokud populace bude růst ve shodě s předpověďmi, bude v roce 2025 k dispozici pouze 1700 m2 orné půdy na osobu, v porovnání s asi 5000 m2 v roce 1950. Životní potřeby 8-10 miliard obyvatel Země v roce 2025 již nebudou moci být uspokojeny kultivačními technologiemi a výnosy z padesátých či sedmdesátých let. Světová produkce potravin se proto bude muset přinejmenším zdvojnásobit. Nelze však donekonečna rozšiřovat zemědělskou půdu na úkor dosud přírodní krajiny a to nejen v Evropě, kde možností rozšíření stejně příliš mnoho nezbývá, ale ani v jiných částech světa na úkor na příklad deštných pralesů. Nelze také usilovat o intenzívní zemědělskou produkci v oblastech, kde pro ni nejsou vhodné přírodní podmínky, jak vzhledem k vysokým vstupním nákladům, tak potřebným energetickým vkladům. Pouze zemědělství používající nové technologie v klimaticky vhodných oblastech bude schopno zabezpečit potraviny v požadované kvantitě i kvalitě o dostupných cenách, při současném zachování přírodních zdrojů a ochraně životního prostředí. Jednu z možností, jak se s tímto úkolem vyrovnat, poskytují biotechnologie. A AgrEvo je jednou z několika málo světových společností, které se biotechnologiemi seriózně zabývají.

Samozřejmě řádná regulace, avšak na vědecké, nikoliv emotivní bázi je nezbytná, jen tehdy se biotechnologie mohou stát skutečným přínosem, ne hrozbou pro lidstvo.

Georg Mendel tím, že objevil prvé zákony dědičnosti, umožnil šlechtění rostlin. Tím současně položil prvý kamének do základů dnešních biotechnologií, které se začaly přímo bouřlivě rozvíjet v devadesátých letech dvacátého století. Podle dnešních znalostí a prognóz se jedná v oblasti rostlinných biotechnologií o tři hlavní směry vývoje:

· vysoce účinný nástroj pro urychlení šlechtění rostlin: Nová hybridizační technologie, nazývaná “Seed Link”, umožňuje snadnější výrobu hybridního osiva. Pro šlechtitele jsou k disposici metody pro kontrolování vývoje pylu, umožňující jednoduchou a efektivní výrobu nových hybridů s vyšší “hybridní čistotou” a tedy kvalitou osiva. Zatímco “klasické” šlechtění zvyšuje výnosový potenciál ustavičným křížením a selekcí, tedy malými postupnými krůčky, biotechnologické postupy poprvé dávají šlechtiteli nástroj k selektivní eliminaci metabolických zábran. Uvádí se, že biotechnologické metody mohou urychlit vývoj nových odrůd nejméně o 1-1,5 roku.

· “rostlinné biotechnologie”

Tento pojem znamená netradiční postupy směřující k “výrobě” zcela nových odrůd rostlin s podstatně vyšším výnosotvorným potenciálem nebo se změněnými komponenty, důležitými pro průmyslové využití (namátkově jmenuji poměr amylózy a amylopektinu u brambor, odlišný poměr mastných kyselin u řepky aj.), či lépe adaptovaných na neoptimální přírodní podmínky. Takto postupně vznikne zcela nové výrobní odvětví, “integrovaná výroba rostlin”.

· nové metody ochrany rostlin proti plevelům, škůdcům a chorobám AgrEvo (resp. jeho mateřská společnost Hoechst AG) vyvíjí “know how” v oblasti rostlinných biotechnologií již od počátku 80tých let Samotný počátek programu byl velmi úzce spojen s medicínou, neboť všechno začalo studijním pobytem biologů z Německa v Massachusetské všeobecné nemocnici v USA, na oddělení genetiky. Dalším pokračováním byla dohoda s osivářskou společností KWS v roce 1983, která o dva roky později přerostla v zakoupení minoritního podílu na KWS. V roce 1989 byla získána holandská společnost zabývající se šlechtěním osiva zeleniny Nunhems Zaaden. Spojení genetického inženýrství se znalostmi a zkušenostmi šlechtitelů (vždyť co je to vlastně šlechtění?) bylo vzhledem k pochopení kritických faktorů rozhodujících pro úspěch při výrobě modifikovaného osiva nesmírně důležité. V roce 1995, tedy méně než 15 let od počátku výzkumu a vývoje se podařilo společnosti AgrEvo přinést na trh v Kanadě nový systém ochrany canoly proti plevelům Liberty Link(obr.3). Systém má letos za sebou již druhý úspěšný rok života; canola s genem odolnosti vůči herbicidu Liberty byla v roce 1996 pěstována již na více než 150 000 ha a pro letošní rok se počítá s více než 500 000 ha. V roce 1996 AgrEvo získalo holandsko-belgickou firmu Plant Genetic Systems International N. V., zabývající se biotechnologiemi u rostlin a dále minoritní podíl na biotechnologické společnosti PlanTec v Golmu v Německu. V polovině ledna 1997 došlo k registraci systému Liberty Link na kukuřici v USA a již v prvém roce se počítá s jeho masovým nasazením. Obr. 4 uvádí přehled dosud známých biotechnologických postupů a předpokládá se, že význam biotechnologií bude postupně silně narůstat (obr. 5).

V oblasti ochrany rostlin proti chorobám a škůdcům dnes dále máme k dispozici biotechnologie pro rezistenci rostlin vůči škůdcům a intenzívně se pracuje na vývoji rezistence vůči virovým a houbovým chorobám. Vývoj odrůd rostlin, odolných proti škůdcům a chorobám umožní celosezónní ochranu proti nim, za použití podstatně méně či žádných postřiků a tím snížení dopadů na životní prostředí.

Biotechnologiemi v ochraně rostlin však v žádném případě nehodláme nahradit “klasické” technologie ale doplnit je, poskytnout k nim další možnou alternativu.

Nyní několik slov k podstatě dnešního projektu Liberty Link:

Glufosinate-ammonium (syn. phosphinotricin, obr. 6), účinná látka dnešního neselektivního herbicidu a desikantu Basta a současně selektivního herbicidu Liberty není umělého původu ale je produktem metabolismu běžně se vyskytujících půdních mikroorganizmů Streptomyces viridochromogenes (kde je tato látka vázána ve formě herbicidně aktivního tripeptidu) a odkud byla také poprvé izolována. Tento mikroorganismus však současně produkuje specifický enzym (phosphinotricin-N-acetylaminotransferázu), který “herbicidní tripeptid” inaktivuje acetylací. Příslušný gen (nazývaný v literatuře PAT či BAR gen) se podařilo izolovat, identifikovat pořadí jeho aminokyselin a kompletně jej syntetizovat. Vyznačuje se sekvencí 552 párů bází s vysokým podílem guanosinu a cytidinu; PAT enzym obsahuje 184 aminokyselin.

Glufosinate-ammonium herbicidně účinkuje tak, že narušuje metabolizmus nitrátů v rostlinné buňce, která následně rychle hyne v důsledku akumulace amoniaku (obr. 7). PAT enzym má však tak vysokou specifickou afinitu výhradně ke glufosinate-ammonium, že se dříve neselektivní herbicid, který pronikne do “resistentní” rostliny prakticky okamžitě a stoprocentně inaktivuje (obr. 8).

Právě skutečností, že se jedná o nikoliv umělý ale stoprocentně přírodní mechanizmus je zapříčiněna mimořádně vysoká selektivita celého procesu. Jediným známým substrátem PAT enzymu je právě aminokyselina phosphinomethylglycin, což je chemický název pro glufosinate.

O registraci v USA a Kanadě jsem již hovořil. Pokud se týče zemí EU, zde v souladu s příslušnou legislativou probíhá řízení na registraci genu jako takového, registrační řízení modifikovaných odrůd a dále řízení ve věci schválení příslušného rostlinného produktu, protože samozřejmě nikdo nebude zavádět technologii, jejíž produkt nesmí být prakticky používán. Jako podklady pro tato řízení bylo provedeno mnoho zkoušek, z nichž namátkově uvádím (obr. 9):

· Analogie s “běžnými” proteiny - “purifikovaný” PAT enzym byl laboratorně inkubován se žaludečními tekutinami prasat, dobytka a drůbeže, stejné pokusy byly prováděny s extraktem z listů a stonků modifikovaných rostlin, dále byly přímo zkrmovány rostliny jako takové a zrno kukuřice; ve všech případech byl PAT protein degradován během několika málo sekund až nejvýše 1 hodiny (při zkrmování kukuřičného zrna). Analogické pokusy byla provedeny i se ”simulovanou” lidskou žaludeční šťávou, za přítomnosti pepsinu byl rozklad kompletní během asi 3 sekund, bez přítomnosti pepsinu za cca 3 hodiny. PAT protein je tedy v žaludku savců odbouráván stejně, jako jakákoliv jiná bílkovina.

· Substrátová specificita enzymu - v pokusech byl sledován jeho účinek na 14C značkované glufosinate, glukámovou kyselinu a ostatní proteinogenní aminokyseliny, acetylován byl pouze glufosinate a ostatní substráty nikoliv; kyselina glutámová nebyla acetylována ani při tisícinásobně zvýšené koncentraci.

· Alergenní potenciál, který je častou námitkou odpůrců biotechnologií - u pracovníků, kteří po dobu cca 6 let pracovali s PAT proteinem v laboratořích, sklenících i polních podmínkách nebyly zjištěny žádné specifické alergické reakce a při porovnávání alergenního potenciálu “klasického” a “modifikovaného” řepkového pylu nebyly rovněž shledány žádné rozdíly. Vedle toho byl PAT protein porovnáván se strukturou a vlastnostmi známých alergenních a toxických peptidů a proteinů a nebyly zjištěny žádné homologie.

· “Divoké křížení”: tento problém (obr. 10, 11) skutečně teoreticky existuje, není však ani zdaleka tak veliký, jak se uvádí. V evropských podmínkách neexistuje pro kukuřici a sóju, protože zde se “divocí” příbuzní těchto důležitých hospodářských rostlin nevyskytují. Teoretický problém může v Evropě existovat v případě cukrovky, neboť “divoká” řepa se zejména v přímořských oblastech západní Evropy vyskytuje. Avšak při výrobě i “běžného” osiva řepy dochází někdy ke křížení s “divokou” řepou; problém je proto nutno řešit v rámci šlechtění a výroby osiva a při praktickém pěstování technické cukrovky je riziko křížení zanedbatelné. Kritika odpůrců systému se však zaměřuje hlavně na modifikovanou řepku. Jsou známy práce, v nichž se se značným úsilím podařilo dosáhnout zkřížení, jak laboratorně, tak v malém rozsahu i v polních podmínkách. Pěstovaná řepka je křížencem mezi B. oleracea a B. campestris. Divoká B. campestris se v podmínkách České republiky nevyskytuje, nachází se v Polsku a Dánsku a v řepce je velmi nežádoucím plevelem, protože snižuje kvalitu 00-oleje. Její hubení v 00-řepkách klasickými postupy není možné. V zemích, kde se B. campestris vyskytuje, ji technika modifikovaných odrůd umožní velmi účinně eliminovat, protože je herbicidem glufosinate spolehlivě hubena. Přenos genu v polních podmínkách prostřednictvím pylu na B. campestris na “sousedním” poli leží v rovině teorií, neboť i u B. campestris je predominantní samoopylení a pravděpodobnost přenosu genu na vzdálenost 5-8 m klesá na 1-2%. I takovýto “mutant”, pokud jeho semena vůbec vzejdou, je spolehlivě huben klasickými herbicidy v následné plodině. Kříženci s dalšími brukvovitými, vč. plevelů byly “vyrobeny” uměle a nemají žádnou či jen velmi sníženou fertilitu.

· Výdrol řepky: při diskuzi o řepce je samozřejmě nutno vzít v úvahu, že výdrol řepky, ať již “modifikované” či “normální” (běžně se udává 100-150 kg/ha - srovnejte s běžným výsevkem!) je pro řadu následných plodin velmi obtížným plevelem. Je ho proto nutno hubit nejlépe kombinací agrotechnických a chemických opatření a to v rámci celého osevního postupu, celého zemědělského závodu. S příchodem “modifikované” řepky na trh se tento problém nezhorší. Výdrol řepky je současně jedním z důvodů, který vedl společnost AgrEvo k rozhodnutí obilniny odolné ke glufosinate nevyvíjet.

· Vývoj “superplevelů: divokým křížením mají podle odpůrců biotechnologických systémů vzniknout jakési “superplevele”, odolné vůči herbicidům. Nelze samozřejmě reálně předpokládat, že zemědělci stoprocentně přejdou na novou technologii, naopak, předpokládá se, že značné procento, snad i většina zachová zcela či zčásti tradiční technologie a tradiční herbicidy. V krátké době může být uvedena na trh i další obdobná technologie vyvinutá společností Monsanto nazvaná “Roundup Ready”. I když teoreticky připustíme vznik rezistentních plevelů k jednomu systému, ať již Liberty, či Roundup, vždy bude možno tohoto teoretického mutanta hubit buď druhým systémem (nebude totiž přípustné, aby jedna rostlina obsahovala současně oba dva geny), nebo klasickými herbicidy. Nové systémy naopak významně přispějí k omezení rizika vyselektování odolných plevelů, neboť do palety přípravků přinášejí další herbicidy se zcela odlišným mechanizmem účinku, než mají “klasické” přípravky, používané v uvedených plodinách často již po řadu let.

· Přenos genu na bakterie: PAT gen se nepodařilo přenést z glufosinate tolerantní vojtěšky na symbiotické bakterie.

· Riziko pro včely: vzhledem k tomu, že rostliny, jichž se projekt týká jsou navštěvovány včelami, byla eventuelní toxicita proteinu ověřována i na včelách v laboratorních i polních podmínkách. Nebyl shledán žádný rozdíl mezi “klasickými” a “modifikovanými” odrůdami.

Společnost AgrEvo systém Liberty Link vyvíjí na 6 plodinách (kukuřice, sója, ozimá řepka, cukrovka, bavlník a rýže (obr.12).V praxi to znamená, že AgrEvo vyvíjí a registruje “herbicidní” část projektu - přípravek Liberty a dále zabezpečuje “registraci genu” ve smyslu předpisů EU či národních legislativ. Osivo zůstává doménou jeho výrobců, kteří od společnosti AgrEvo obdrží neexkluzívní licenci na použití genu, zajistí výrobu, registraci a prodej.

Pokud se týče herbicidních pokusů s Liberty, bylo ve světě do dnešního dne provedeno více než 1800 polních pokusů, samozřejmě řádně povolených příslušnými úřady, z toho více než 310 v Evropě. (obr 13).

Z agronomického hlediska je velmi důležitá následující skutečnost:

Modifikované rostliny si zachovávají veškeré dříve vyselektované vlastnosti včetně tolerance k všem dosud běžně používaným herbicidům.

Vývoj tolerance k herbicidům však umožní zemědělcům použít nové, flexibilnější přístupy k ochraně proti plevelům. Z čistě “plevelohubného” pohledu přináší nový systém celou řadu předností, daných charakterem použitého herbicidu: (Obr. 14)

· výborná selektivita u kulturních rostlin, obsahujících PAT gen

· široké spektrum účinku proti travám i dvouděložným plevelům

· velmi rychlý a vysoký účinek výhradně přes listy

· cílená postemergentní aplikace, flexibilní v dávkách a termínech

· prevence půdní eroze (kukuřice, řepa)

· omezení rizika vyselektování odolných plevelů vzhledem k umožnění záměny přípravků o herbicid s odlišným mechanizmem účinku

· použití přípravku s příznivým toxikologickým a ekotoxikologickým profilem

· v porovnání s většinou dnešních systémů ochrany kukuřice, řepky i cukrovky proti plevelům snížení dávkování herbicidních látek na danou plochu a snížený počet vstupů do porostu