1

Genetički modificirane poljoprivredne kulture –prednosti i rizici

Prof. dr. sc. Snježana Kereša

Zavod za oplemenjivanje bilja, genetiku, biometriku i eksperimentiranje

Modul: Poljoprivreda i okoliš, ak. god. 2011/12

2

Genetički modificirane (transformirane) biljkeone kojima je u jezgrin genom ili genom kloroplasta dodanojedan ili više gena koji kontroliraju neko novo svojstvo il imodificiraju postoje će

Postoji više metoda unosa i ugradnje strane DNA u biljne stanice-jedna od najviše korištenih je metoda transformacije biljnih stanica pomoću bakterije Agrobacterium tumefaciens

-A. tumefaciens ima sposobnost horizontalnog transfera gena sa svojeg plazmida u biljnu stanicu

-umjesto “svojih” gena bakteriji se u plazmid mogu ugraditi bilo koji (željeni) geni i ona će ih prenijeti u biljnu stanicu

-transformirane biljne stanice u kulturi biljnog tkiva mogu regenerirati cijele transformirane biljke

-strani gen jednom ugrađen u biljni genom nasljeđuje se po Mendelovimzakonitostima

3

a) bakterija A. tumefaciens

b) Shema genetičke transformacije pomoću A. tumefaciens i regeneracija biljaka u kulturi biljnog tkiva

4Plant Biotechnology 23, 233–237 (2006)

Dobivanje genetički modificiranih (transformiranih)biljaka u kulturi biljnog tkiva

5

Prva genetički modificirana (GM) biljna vrsta komercijalno dostupna bila jerajčica (FlavrSavr tomato) s unešenim genom za sporije prezrijevanje(truljanje) (1994).

Od 1995. na tržištu SAD-a pojavljuju se i GM sorte soje, kukuruza i pamuka, a prva sjetva GM sorata dogodila se 1996. god (na 1.7 mil. ha).

U tih 16 godina komercijalni uzgoj GM kultura povećao se je 94 puta,

-u 2011. godini GM kulturama bilo je zasijano 160 milijuna ha,

a generalno u uzgoju dominiraju GM soja, pamuk, kukuruz i uljana repica

6

Razmjere proizvodnje GM kultura dobro ilustriraju slijedeći podaci:

U 2011. godini bilo je zasijano

GM sojom → preko 80% ukupne svjetske proizvodnje soje

GM pamukom → preko 60% ukupne svjetske proizvodnje pamukaGM kukuruzom → oko 30% ukupne svjetske proizvodnje kukuruzaGM uljanom repicom → preko 20% ukupne svjetske proizvodnje uljane repice

U 2011. godini GM kulture je širom svijeta uzgajalo 16.7 milijuna farmera, od čega ih je 15 milijuna malih farmera u zemljama u razvoju -najveći broj malih farmera uzgaja GM pamuk u Kini i Indiji

7

29 zemalja je u 2011. godini uzgajalo GM kulture

8

9

Iako se genetičkim modifikacijama mogu mijenjati i poboljšati različita svojstva poljoprivrednih kultura, u komercijalnoj proizvodnji dominiraju usjevi promijenjeni za dva svojstva:

1) tolerantnost na herbicide2) otpornost na štetne kukce

Razlog ovome leži u velikim gubicima, 37% od ukupnog potencijalnog uroda poljoprivrednih kultura, koje prouzroče korovi, štetnici i bolesti

10

Poljoprivredne kulture modificirane za tolerantnost na herbicide

U agrotehničkom smislu korove je najlakše suzbiti herbicidima širokog spektra djelovanja (neselektivnim)

Takvi herbicidi uništavaju i poljoprivredne kulture ukoliko nisu genetički modificirane za tolerantnost na njih

Danas se u svijetu komercijalno uzgajaju slijedeće kulture modificirane za tolerantnost na neselektivne herbicide: soja, kukuruz, uljana repica, pamuk,

šećerna repa, lucerna, cikorija

Dva neselektivna herbicida za koje se najčešće unosi gen za tolerantnost u poljoprivredne kulture su: glifosat i glufosinat (fosfinotricin)

11

Glifosat je herbicid širokog spektra djelovanja i uništava 76 od 78 najraširenijih korova u svijetu

U SAD (i šire) proizvodi se pod nazivom Roundap (kompanija Monsanto), u Hrvatskoj se prodaje pod nazivom Herbocor (Herbos) i Hercules (Chromos agro)

Glifosat djeluje kao kompetitivni inhibitor enzima 5-enol-piruvil shikimat-3-fosfat sintaze (EPSPS), koji katalizira jedan od glavnih koraka u sintezi aromatskihaminokiselina

Tolerantnost biljaka na ovaj herbicid može se postići:

:uvođenjem u biljku gena koji kodira za EPSPS neosjetljiv na glifosat ili:uvođenjem gena koji kodira za enzim koji razgrađuje glifosat

12

Većina kultiviranih GM kultura tolerantnih na ovaj herbicid nosi u sebi novi gen koji kodira za neosjetljiv EPSPS - takve GM kulture imaju naziv “Roundap Ready”

Noviji pristup je korištenje obadvije strategije u istoj sorti → Monsanto proizveo uljanu repicu koja u sebi nosi i gen za neosjetljiv EPSPS, ali i gen za razgradnju glifosata u transformiranim biljkama

-time se sprječava akumulacija herbicida u biljci (i mogući štetni učinak na ljude i/ili životinje koji konzumiraju hranu od ovakvih biljaka)

13

Glufosinat (fosfinotricin, PPT) je također herbicid širokog spektra djelovanja i

prodaje se pod različitim nazivima npr. Basta i Liberty

Glufosinat (PPT) ireverzibilno inhibira enzim glutamin sintetazu, za biljkeključni enzim u metabolizmu dušika

Tolerantnost biljaka na ovaj hebicid postignuta je transformacijom s pat i bargenima, izoliranim iz vrsta bakterija Streptomyces.

Geni kodiraju za enzim fosfinotricin-N-acetil transferazu (PAT) koja inaktiviraPPT acetilirajući njegovu slobodnu NH2 skupinu

14

Prednost uporabe GM kultura tolerantnih na herbicide širokog spektra djelovanja za

proizvođače:

-lakša agrotehnika suzbijanja korova (umjesto koktela herbicida koristi se samo jedan)

-moguća primjena minimalne obrade tla→jedno i drugo vodi uštedi u troškovima proizvodnje

-manje su toksični za ljude od nekih selektivnih herbicida

Prednost uporabe GM kultura tolerantnih na herbicide širokog spektra djelovanja za okoliš

-u tlu se vrlo brzo razgrađuju (nisu perzistentni) ne kontaminirajući podzemne vode

-minimalna obrada tla (ako se primjenjuje uz njih) sprječava eroziju tla

-podaci govore o nesumnjivom smanjenju uporabe herbicida kod GM kultura u odnosu na ne-GM kulture

-uporaba samog neselektivnog herbicida (npr. glifosata) je porasla, ali je ukupna primjena različitih drugih herbicida u ovim usjevima značajno smanjena što u konačnici dovodi do smanjanja uporabe herbicida

15

Potencijalna opasnost od GM vrsta tolerantnih na herbicide

-prijenos gena za otpornost na herbicid (polenom) na divlje srodne vrste (ako postoje)

superkorovi??

Kod prijave i davanja dopuštenja za uzgoj GM kultura (regulirano direktivom 2001/18/EC, te nacionalnim zakonima), ovo pitanje je jedno od najvažnijih u

procjeni rizika

-U Hrvatskoj (Europi) kukuruz i soja (koji su potencijalni kandidati za uzgoj kao GM

kulture) nemaju divljih srodnika – nema opasnosti od prijenosa gena na srodne divlje vrste

16

-Uljana repica ima divljih srodnika s kojima se u našem podneblju može križati-postoji opasnost od prijenosa gena polenom na srodne vrste (koje

tada mogu postati korovi koje dotičnim neselektivnim herbicidom ne možemo suzbiti)

-Transgene biljke uljane repice mogu se također pojaviti kao korov u slijedećem usjevu (ako bi se radilo o nekoj drugoj GM kulturi koju treba tretirati istim neselektivnim herbicidom)

-moguće rješenje problema – primjena nekog drugog, selektivnog herbicida-komplicira situaciju i poskupljuje proizvodnju

Općenito rješenje problema prijenosa gena polenom →ugradnja gena rezistentnosti u kloroplastni, umjesto u jezgrin genom

-kloroplasti se ne prenose polenom

-ali genetička transformacija kloroplasta je puno teža od transformacije jezgre, te još nije rutina

17

Poljoprivredne kulture modificirane za tolerantnost na kukce

-Kukci unište oko 13% uroda svjetske poljoprivredne proizvodnje

-Različite vrste organizama imaju insekticidne proteine za koje bi se geni mogli unijeti u poljoprivredne kulture i davati biljkama rezistentnost

-Kod komercijaliziranih GM kultura otpornih na kukce izvor insekticidnih gena za transformaciju biljnih stanica je bakterija Bacillus thuringiensis (Bt)

-Bt je gram pozitivna bakterija koja proizvodi vrlo insekticidne proteinske kristale – Bt toksine ili δδδδ-endotoksine tijekom sporulacije

!!! Spore i proteinski kristali različitih sojeva ove bakterije koriste se već mnogogodina kao bioinsekticidi (dozvoljeni za primjenu u organskoj proizvodnji)

18

Mehanizam djelovanja Bt toksina (Cry proteina): Nakon što ga kukac (osjetljiv na određeni Bt-toksin) proguta, protein se

otopi, aktivira pod utjecajem proteinaza u srednjem crijevu kukca, veže se na receptore i uđe u membranu srednjeg crijeva.

Posljedica: nastaju pore i nepovratna oštećenja stijenke srednjeg crijeva, te kukac ugiba

Različiti sojevi bakterije proizvode kristalne toksine djelotvorne protiv različitih kukaca (Lepidoptera, Coleoptera, Diptera)

U različitim sojevima bakterija otkriveno je već preko 400 gena što kodiraju za različite Bt toksine

Geni za Bt toksine nose naziv Cry geni (npr: cry1Aa, cry1Ab, cry1Ba, cry1Ca itd.)

19

Danas se u svijetu komercijalno uzgajaju kukuruz, pamuk i soja genetički modificirani za otpornost na kukce

Komercijalno uzgajani kukuruz nosi u sebi gen za otpornost na kukuruznog moljca

U područjima gdje ovi kukci značajno smanjuju prinos opravdana je sjetva Bthibrida kukuruza

Prednost uporabe kukuruza otpornog na kukce za proizvođače:

-smanjena (ili potpuno izostaje) primjena insekticida-ušteda na sredstvima za tretiranje-manja izloženost farmera štetnim insekticidima-povećanje uroda

Prednost uporabe kukuruza otpornog na kukce za potrošače:

-kukuruz (posebno klipovi) oštećeni od kukuruznog moljca podložni su različitim gljivičnim bolestima → proizvodnja mikotoksina

-Bt kukuruz ima stoga znatno manje mikotoksina na zrnu

20

Prednost uporabe GM kultura otpornih na kukce za okoliš:

-smanjena uporaba insekticida (ako se inače koriste)

-ne uništavaju se korisni, niti drugi kukci koji obitavaju u usjevima – povećava se bioraznolikost

Potkraj 2009. Kina je odobrila uvođenje u proizvodnju Bt riže

-sorta te riže još mora proći 2-3 godine sortnih ispitivanja da bi bila konačno komercijalizirana

21

Nedostaci uporabe Bt kultura

-Kao i na bilo koji drugi insekticid, kukci s vremenom mogu postići rezistentnost

na Bt toksine - rezistentnost kukaca je uglavnom uvjetovana recesivno

– parenjem s osjetljivim kukcima potomstvo će biti uglavnom osjetljivo

Zato se oko ili između parcela Bt kultivara moraju sijati pojasevi nemodificiranog

kultivara (refuge) koji služe za razmnožavanje osjetljivih kukaca

Preporuka je da ovi pojasevi zauzimaju 20% ili više površine kod kukuruza,

a čak do 50% površine za pamuk

-ovo komplicira situaciju

22

Kukci osjetljivi na Bttoksine

Moguć razvoj kukaca rezistentnih na Bt toksine

Čak i u slučaju parcijalne dominacije rezistentnosti, iz parenja rezistentnih i osjetljivih potomstvo će biti osjetljivo na Bttoksine

23

Osim ovih dvaju svojstava koja dominiraju, genetičkim modifikacijama mogu se

dobiti biljke tolerantne -na bolesti – već postoje komercijalizirane vrste papaja i tikvica tolerantne na pojedine viruse

-na abiotske stresove (sušu, salinitet, kiselost tla)-boljih nutritivnih svojstava (povećanog sadržaja vitamina (Zlatna riža) ili drugih korisnih tvari, promijenjenog sastava masnih kiselina i sl.)

-Posebno su zanimljive GM biljke namijenjene fitoremedijaciji

-Fitoremedijacija je čišćenje zagađenih tala od npr. teških metala

-GM biljke namijenjene za fitoremedijaciju u sebe nakupljaju određene teške metale → uklanjanje s površine (spaljivanje)

-nema ih još komercijalno dostupnih

-u istu svrhu mogu se koristiti i GM bakterije

24

U Hrvatskoj nema proizvodnje GM usjeva, niti bilo kakvih pokusnih parcela

-2005 god. stupio na snagu Zakon o genetski modificiranim organizmima

-donešeno je i niz pravilnika i uredbi vezanih na taj zakon

-Zakon omogućava uvođenje GM organizama i u okoliš (bilo u eksperimentalne svrhe ili u svrhu uzgoja), ali uz vrlo stroge uvjete

Podnositelj prijave za uvođenje nekog GM organizma u okoliš pri tom mora imati i procjenu rizika za okoliš

-procjenu rizika rade neovisna tijela (sastavljena od znanstvenika) koja dobiju za taj posao ovlaštenje nadležnog Ministarstva

-U Hrvatskoj još nitko nije zatražio uvođenje GM organizma u okoliš

25

U Europskoj Uniji sve zemlje članice razmatraju zahtjev za uvođenje nekog GM organizma u okoliš

-Izuzetno dug i kompliciran proces

-Od 1999. do 2010. EU je imala de facto moratorij na priznavanje novih sorata GMkultura

-Početkom 2010. EU je odobrila za komercijalnu proizvodnju jednu sortu krumpira(Amflora) s izmijenjenim sastavom škroba (odnos amiloze/amilopektina)

-ovaj krumpir namijenjen je isključivo za industrijsku preradu škroba

-kad je jedanput odobrena za proizvodnju, GM kultura dolazi na sortnu listu EU-a i mogu je uzgajati sve zemlje EU-a