8.2: Біотехнологія та генна інженерія

На початку 1990-х років виникла хвороба знищувала виробництво папайї на Гаваях і загрожувала знищити промисловість в 11 мільйонів доларів (рис.$\PageIndex{1}$). На щастя, чоловік на ім'я Денніс Гонсалвес, який був вихований на цукровій плантації, а потім став фізіологом рослин в Корнельському університеті, розробив би рослини папайї, генетично сконструйовані, щоб протистояти смертельному вірусу. До кінця десятиліття гавайська індустрія папайї і життєдіяльність багатьох фермерів були врятовані завдяки безкоштовному розповсюдженню насіння доктора Гонсалвеса.

Малюнок$\PageIndex{1}$. Симптоми вірусу кільцевої плями папайї проявляються на дереві (а) і плодах (б). «Ця робота» знаходиться у суспільному надбанні, CC0.

Розробка нового штаму культури є прикладом агробіотехнології: комплекс інструментів, що включають як традиційні методи селекції, так і більш сучасні лабораторні методи. Традиційні методи налічують тисячі років, тоді як біотехнологія використовує інструменти генної інженерії, розроблені за останні кілька десятиліть. Генна інженерія - це назва методів, які вчені використовують для введення в організм нових рис. Цей процес призводить до генетично модифікованих організмів, або ГМО. Наприклад, рослини можуть бути генетично сконструйовані для отримання характеристик для посилення росту або харчового профілю харчових культур. ГМО, які є видами сільськогосподарських культур, зазвичай називають генетично інженерними культурами, або GE культур для короткого часу.

Історія генетичної модифікації сільськогосподарських культур

Майже всі фрукти та овочі, знайдені на вашому місцевому ринку, не відбуватимуться природним шляхом. Насправді вони існують лише завдяки людському втручанню, яке почалося тисячі років тому. Люди створили переважну більшість видів сільськогосподарських культур, використовуючи традиційні методи селекції на природних, диких рослин. Ці практики спираються на селективне розведення (людське сприяння розведення особин з бажаними ознаками). Традиційні методи селекції, хоча і низькотехнологічні та прості у виконанні, мають практичний результат модифікації генетичної інформації організму, створюючи таким чином нові ознаки.

Цікавий приклад - кукурудза (кукурудза). Біологи виявили, що кукурудза була розроблена з дикої рослини під назвою теосінт. Завдяки традиційній селекційній практиці люди, що живуть тисячі років тому на території нинішньої Південної Мексики, почали відбирати бажані ознаки, поки не змогли перетворити рослину на те, що зараз відомо як кукурудза. При цьому вони постійно (і несвідомо) змінювали свої генетичні вказівки, дозволяючи з'являтися нові риси. Враховуючи цю історію, ми можемо задати питання: чи дійсно існує таке поняття, як кукурудза без ГМО?

Малюнок$\PageIndex{2}$. Дика трава під назвою теосінт була генетично модифікована шляхом селективного розведення для отримання того, що зараз відомо як кукурудза (кукурудза). Цей процес трансформації розпочався тисячоліттями тому корінними жителями нинішньої Мексики. «Ця робота» Ніколь Рейгер Фуллер, Національний науковий фонд знаходиться у суспільному надбанні, CC0.

Ця історія генетичної модифікації є спільною майже для всіх видів сільськогосподарських культур. Наприклад, капуста, брокколі, брюссельська капуста, цвітна капуста та капуста були розроблені з одного виду рослини дикої гірчиці (рис.$\PageIndex{2}$). Дикий паслін був джерелом томатів, баклажанів, тютюну та картоплі, останній розроблений людьми 7000 — 10 000 років тому в Південній Америці.

Малюнок$\PageIndex{3}$. Brassica oleracea - рослина сімейства гірчичних і відома як дика капуста. З нього були розроблені багато знайомі культури, такі як цвітна капуста, брокколі, брюссельська капуста і звичайно ж, капуста. «Brassica oleracea wild» від Kulac ліцензується відповідно до CC BY-SA 4.0

Традиційна селекція проти сучасної генної інженерії

Щоб виробляти нові риси у худоби, домашніх тварин, сільськогосподарських культур чи іншого типу організму, майже завжди має відбуватися основна зміна генетичних інструкцій цього організму. Багато людей можуть не зрозуміти, що традиційна практика розведення насправді призводить до постійних генетичних змін і, отже, є різновидом генетичної модифікації. Це непорозуміння може виникнути через те, що традиційні методи селекції не вимагають складного лабораторного обладнання або будь-яких знань генетики, які деякі можуть розглядати як перквізит для генетичної модифікації.

Як традиційні методи селекції порівнюються з сучасною генною інженерією? Обидва призводять до змін генетичної інформації організму, але величина цих змін варіюється серед двох методів (рис.$\PageIndex{3}$). Традиційна селекція перемішує всі гени між двома розведеними організмами, які можуть налічувати десятки тисяч (наприклад, кукурудза має 32 000 генів). При змішуванні такої великої кількості генів результати можуть бути непередбачуваними. Сучасна генна інженерія більш точна в тому сенсі, що біологи можуть модифікувати лише один ген. Також генна інженерія може ввести ген між двома віддалено спорідненими видами, такими як введення бактеріального гена в рослину. Така передача може здатися незвичайною, але вона не позбавлена свого еквівалента за характером. У процесі, який називається горизонтальним перенесенням генів, ДНК одного виду може бути вставлена в інший вид. Одне недавнє дослідження, наприклад, виявило, що люди містять близько 150 генів інших видів, включаючи бактерії.

Малюнок$\PageIndex{4}$. І традиційна селекція, і сучасна генна інженерія виробляють генетичні модифікації. Генна інженерія дозволяє менше і точніше генетичних модифікацій. Графіка FDA Майкла Ермарта (Методи селекції рослин) [CC0 Публічне надбання], через Wikimedia Commons.

Потенційні переваги генної інженерії

Посилене харчування

Досягнення біотехнології може забезпечити споживачів продуктами харчування, які збагачені поживними речовинами (рис.$\PageIndex{4}$), триваліші або містять більш низький рівень певних природних токсинів, присутніх у деяких харчових рослинам. Наприклад, розробники використовують біотехнології, щоб спробувати зменшити насичені жири в кулінарних оліях, зменшити алергени в харчових продуктах та збільшити поживні речовини, що борються з хворобами в продуктах. Біотехнологія також може використовуватися для збереження природних ресурсів, дозволяють тваринам більш ефективно використовувати поживні речовини, присутні в кормах, зменшити стік поживних речовин у річки та затоки, а також допомогти задовольнити зростаючі світові потреби в їжі та землі.

Малюнок$\PageIndex{5}$. Білий рис і Золотий рис. Генноінженерний «Золотий рис» містить до 35 мкг β-каротину на грам рису, що може запобігти мільйонам випадків сліпоти у всьому світі.

Дешевше і більш кероване виробництво

Біотехнологія може надати фермерам інструменти, які можуть зробити виробництво дешевшим і більш керованим. Наприклад, деякі біотехнологічні культури можуть бути спроектовані так, щоб переносити специфічні гербіциди, які роблять боротьбу з бур'янами простішим та ефективнішим. Інші культури були розроблені таким чином, щоб бути стійкими до конкретних хвороб рослин та комах-шкідників, що може зробити боротьбу зі шкідниками більш надійною та ефективною та/або може зменшити використання синтетичних пестицидів. Ці варіанти виробництва рослинництва можуть допомогти країнам йти в ногу з попитом на продукти харчування при одночасному зниженні виробничих витрат.

Поліпшення боротьби зі шкідниками

Біотехнологія допомогла зробити як боротьбу зі шкідниками, так і боротьбу з бур'янами безпечнішими та простішими, захищаючи культури від хвороб. Наприклад, генно-інженерна стійка до комах бавовна дозволила значно скоротити використання стійких синтетичних пестицидів, які можуть забруднювати грунтові води та навколишнє середовище. З точки зору поліпшення боротьби з бур'янами, гербіциди толерантні соєві боби, бавовна та кукурудза дозволяють використовувати гербіциди зі зниженим ризиком, які швидше руйнуються в ґрунті та є нетоксичними для дикої природи та людини.

Малюнок$\PageIndex{6}$. У всьому світі на культури GE припадає 12% всього сільськогосподарського виробництва в 2015 році. Тут показані GE культури по нації. «Ця робота» НАСЕМ знаходиться у суспільному надбанні, CC0.

Потенційні занепокоєння щодо генетично інженерних культур

Складність екологічних систем створює значні проблеми для експериментів, які оцінюють ризики та переваги врожаю GE. Оцінювати такі ризики складно, оскільки як природні, так і модифіковані людиною системи є надзвичайно складними і чреваті невизначеністю, які можуть бути не з'ясовані до довгого часу після того, як буде укладено експериментальне введення. Критики культур GE попереджають, що їх вирощування слід ретельно розглядати в рамках більш широких екосистем через їх потенційні переваги та небезпеку для навколишнього середовища.

Окрім екологічних ризиків, деякі люди стурбовані потенційними ризиками для здоров'я культур GE, оскільки вони відчувають, що генетична модифікація змінює внутрішні властивості або сутність організму. Однак, як обговорювалося вище, відомо, що як традиційна селекційна практика, так і сучасна генна інженерія виробляють постійні генетичні модифікації. Крім того, традиційні методи селекції насправді мають більший і непередбачуваний вплив на генетику виду через його порівняно грубу природу. Враховуючи це, доцільно, що як нові культури GE, так і традиційно вироблені культури повинні бути вивчені на предмет потенційних ризиків для здоров'я людини.

Щоб вирішити ці різні проблеми, Національні академії наук, техніки та медицини США (NASEM) опублікували всеосяжний, 500-сторінковий звіт у 2016 році, який узагальнив поточні наукові знання щодо культур GE. У доповіді під назвою «Генетично інженерні культури: досвід та перспективи» було розглянуто понад 900 дослідницьких статей, окрім публічних коментарів та свідчень експертів. Результати цього насіннєвого звіту, надалі згадуваного як «GE Crop Report» для стислості, поділяються в різних підрозділах нижче.

Схрещування з місцевими видами

Завдяки схрещуванню або гібридизації культури GE можуть ділитися своєю генетично модифікованою ДНК з дикими родичами. Це може вплинути на генетику цих диких родичів і мати непередбачені наслідки для їх популяцій і навіть може мати наслідки для більшої екосистеми. Наприклад, якщо ген, розроблений для надання стійкості до гербіцидів, повинен був перейти від культури GE до дикого родича, це може перетворити дикі види на «супер бур'ян» - вид, який не можна контролювати гербіцидом. Потім його бурхливий ріст може витіснити інші дикі види та дику природу, яка залежить від нього, тим самим впливаючи на екологічну шкоду.

Звіт про врожай GE NASEM знайшов деякі докази генетичного перенесення між культурами GE та дикими родичами. Однак доказів екологічної шкоди від цієї передачі не було. Зрозуміло, що постійний моніторинг, особливо за новорозвиненими культурами, є виправданим.

Право споживача на вибір

Міжнародна федерація руху органічного сільського господарства доклала жорстких зусиль, щоб зберегти врожаї GE від органічного виробництва, але деякі американські органічні фермери виявили, що їх кукурудза (кукурудза) посіви, включаючи насіння, містять виявлені рівні генетично інженерної ДНК. Органічний рух твердо протистоїть будь-якому використанню культур GE в сільському господарстві, і органічні стандарти прямо забороняють їх використання (однак, майте на увазі, що навіть «органічна» кукурудза зазнала значної генетичної модифікації порівняно з її диким родичем, теосінтом). Фермери, насіння яких забруднене, пройшли жорстку органічну сертифікацію, яка запевняє, що вони не використовували жодних генетично модифікованих матеріалів на своїх фермах.

Будь-які сліди врожаю GE повинні були надходити з-за меж їх виробничих площ. Хоча точне походження в даний час неясне, цілком ймовірно, що забруднення було викликано дрейфом пилку з полів врожаю GE в прилеглих районах. Однак забруднення, можливо, також надходило від постачання насіння. Виробники насіння, які мали намір постачати насіння GE без сільськогосподарських культур, також зіткнулися з генетичним забрудненням і не можуть гарантувати, що їх насіння 100% не містить врожаю GE.

Довгострокові екологічні ефекти

Раннє дослідження показало, що пилок з певного типу генетично модифікованої кукурудзи може бути шкідливим для гусениць метеликів монархів. Цей тип кукурудзи, відомий як кукурудза Bt, генетично модифікований для отримання бактеріального білка, який діє як інсектицид. Ця риса сприятлива, оскільки зменшує кількість інсектицидів, що використовуються фермерами. Пилок з кукурудзи Bt може бути шкідливою для гусениць, але тільки при дуже високих концентраціях. Ці концентрації рідко досягаються в природі, і подальші дослідження виявили, що ефект кукурудзи Bt незначний.

GE Crop Report NASEM документує, що дійсність цього початкового дослідження монарха була поставлена під сумнів іншими вченими, і це в кінцевому підсумку призвело до великого, багатонаціонального дослідження, що фінансується США та Канадою. Вони виявили, що переважна більшість вирощуваної кукурудзи Bt не представляла ризику для монархів. Однак один штам кукурудзи Bt зробив, і він, отже, був знятий з ринку.

У звіті GE Crop Report також згадується окрема загроза для монарха: втрата молочаю, що має вирішальне значення для життєвого циклу метелика. Деякі культури GE розроблені для протистояння гербіциду гліфосату. Фермери, які використовують ці культури, можуть обприскувати все своє поле гербіцидом, який вбиває молочай, але не врожай GE. Це може знизити кількість молочаю, що росте в межах ареалу проживання монархів. У звіті зроблено висновок, що необхідні додаткові дослідження для кількісної оцінки фактичного впливу, який це може мати на населення монархів.

Ризик для здоров'я людини

Принаймні деякі гени, що використовуються в культурах GE, можливо, раніше не використовувалися в харчуванні, тому ГМ-продукти можуть становити потенційний ризик для здоров'я людини, наприклад, виробляти нові алергени. Але це стосується і культур, породжених традиційною селекційною практикою (оскільки обидва виробляють генетичні модифікації і, отже, нові ознаки).

Як і інші «суперечливі» наукові питання, науковий консенсус щодо культур GE цілком зрозумілий: вони безпечні. Продовольча та сільськогосподарська організація ООН дійшла висновку, що ризики для здоров'я людей і тварин від використання ГМО незначні. GE Crop Report NASEM виявив, що «немає обґрунтованих доказів різниці в ризиках для здоров'я людини між поточними комерційно доступними генетично інженерними (GE) культурами та традиційно виведеними культурами, а також не знайшов переконливих причинно-наслідкових доказів екологічних проблем від культур GE». Рада Американської медичної асоціації з питань науки та громадського здоров'я в 2012 році заявила, що «біоінженерні продукти споживаються близько 20 років, і протягом цього часу ніяких явних наслідків для здоров'я людини не повідомлялося та/або обґрунтовано в рецензованій літературі». Подібні заяви зробили Національна рада ресурсів США та Американська асоціація сприяння розвитку науки, яка публікує видатний науковий журнал Science.

Потенціал GE культур бути алергенними є одним з потенційних несприятливих наслідків для здоров'я, і його слід продовжувати вивчати, особливо тому, що деякі наукові докази вказують на те, що тварини, які годували культурами GE, були завдані шкоди. У звіті GE Crop Report NASEM зроблено висновок, що при розробці нових культур саме продукт повинен бути вивчений на потенційні ризики для здоров'я та навколишнього середовища, а не процес, який досяг цей продукт. Це означає, що як традиційна селекційна практика, так і сучасна генна інженерія дають нові риси через генетичну модифікацію, вони обидва представляють потенційні ризики. Таким чином, для безпеки навколишнього середовища і здоров'я людини обидва повинні бути адекватно вивчені.

Права інтелектуальної власності

Права інтелектуальної власності є одним із важливих факторів у поточній дискусії щодо культур GE. Посіви GE можуть бути запатентовані агропідприємствами, що може призвести до того, що вони контролюють та потенційно експлуатують сільськогосподарські ринки. Деякі звинувачують компанії, такі як Monsanto, в нібито контролі виробництва насіння та ціноутворення, багато на шкоду фермерам. GE Crop Report NASEM рекомендує більше досліджень того, як концентрація насіннєвих ринків кількома компаніями та подальше зниження конкуренції на вільному ринку можуть вплинути на ціни на насіння та фермерів.

Слід зазначити, що культури, розроблені традиційною селекцією, також можуть бути захищені законодавчо та контрольовані способами, подібними до культур GE. Джим Майерс з Університету штату Орегон зазначає, що «у всіх, крім кількох випадках, всі сучасні сорти, розроблені приватними селекціонерами, захищені [юридично], а більшість громадських сортів також захищені».

Чи є GE культури рішенням, яке нам потрібно?

Значні ресурси, як фінансові, так і інтелектуальні, були виділені для відповіді на питання: чи безпечні культури GE? Після багатьох сотень наукових досліджень відповідь - так. Але все ж залишається істотне питання: чи потрібні вони? Звичайно, наприклад, у таких випадках, як папайя на Гаваях, яким загрожували викорінення через агресивне захворювання, генна інженерія була швидким та ефективним рішенням, яке було б надзвичайно важко, якщо не неможливо, вирішити за допомогою традиційної селекційної практики.

Однак у багатьох випадках ранні обіцянки культур GE - що вони покращать харчові якості харчових продуктів, нададуть стійкість до хвороб та забезпечать безпрецедентний прогрес у врожайності сільськогосподарських культур - значною мірою не здійснилися. У звіті GE Crop Report NASEM зазначається, що хоча врожаї GE призвели до зменшення сільськогосподарських втрат від шкідників, зменшення використання пестицидів та зниження рівня травматизму від інсектицидів для сільськогосподарських працівників, вони не збільшили темпи, з якими врожайність сільськогосподарських культур просувається порівняно з культурами, що не містять GE. Крім того, хоча є деякі помітні винятки, такі як золотий рис або стійкі до вірусів папайї, дуже мало культур GE було вироблено для підвищення харчової спроможності або запобігання захворюванням рослин, які можуть спустошити дохід фермера та зменшити продовольчу безпеку. Переважна більшість культур GE розробляється лише для двох цілей: ввести стійкість до гербіцидів або стійкість до шкідників.

Генна інженерія сільськогосподарських культур є важливим інструментом у світі швидко мінливого клімату та зростаючої людської популяції, але, як ви побачите в наступному розділі, це лише один із багатьох інструментів, які сільські господарства можуть використовувати для виробництва достатньої кількості їжі для всіх людей, одночасно працюючи над збереженням навколишнє середовище.

Пропоноване додаткове читання:

Ахенбах, Дж. 2015. «Чому багато розумних людей сумніваються в науці?» Національний географічний журнал. https://www.nationalgeographic.com/magazine/2015/03/science-doubters-climate-change-vaccinations-gmos/

НАСЕМ. 2016 РІК. Генноінженерні культури: досвід та перспективи. http://nas-sites.org/ge-crops/category/report/

Автори та атрибуція

• Історія генетичної модифікації сільськогосподарських культур та чи потрібні нам рішення GE? Метью Фішер ліцензовані відповідно до CC BY 4.0.
• Основи екологічної науки Камали Доршнер ліцензовано відповідно до CC BY 4.0. Модифікований з оригіналу Метью Р. Фішер.
• «Генетично модифіковані продукти та соціальні проблеми» Бехроха Мохаджера Магарі та Алі Ардекані ліцензується відповідно до CC BY-NC 4.0. Модифікований з оригіналу Метью Р. Фішер.