Как генетичното инженерство спасява от глад хората в Африка (и не само)

Картофеното растение е едно от най-култивираните в световен мащаб. Годишно се добиват огромни количества картофи, като през 2017 година в световен мащаб са добити 388.2 милиона тона от 19 302 600 хектара земя. Произходът на тази култура може да се проследи до 7000-ната година преди Христа в древните Америки. Испански изследователи пренасят културата в Европа през 16-ти век. Отнема почти 2 века, за да се наложи като подходяща за широко консумиране. Днес се конкурира по значение със зърнените култури като картофите се използват както в хранително-вкусовата индустрия, така и като източник на нишесте за тежките химически производства. След масовото отглеждане на тази култура в Европа, през 18-ти век тя е въведена и в Африка. Днес в Субсахарска Африка се отглеждат 1.7 милиона хектара картофи в 14 държави. Културата за тези бедни райони е важна, защото е богата на енергия, въглехидрати, протеини (в сравнение с други култури) и е източник на важните витамин С и B12, калий и фибри.

Мана по картофите и значение на това заболяване

Растенията, подобно на хората, също страдат от тежки инфекциозни заболявания. Едно такова е маната по картофите, което се причинява от плесента Phytophthora infestans, която инфектира и доматите (все пак и двата вида принадлежат към род Solanum). Заболяването е толкова сериозно, че причинява Големия глад в Ирландия (след унищожение на цялата картофена реколта) – криза, която отнема живота на над 1 милион човека от 1845 до 1848 година и кара още 2 милиона да мигрират. Инфекцията кара листата на растението да побелеят, което постепенно се пренася по цялото растение, а самите картофи се развалят. Макар и векове по-късно, маната остава основна заплаха за картофите и годишно е отговорна за унищожението на до 30% от продукцията. Това струва само на африканския регион между 500 и 800 милиона долара годишно.

Изграждане на резистентност към маната

Разбира се има надежда за справяне с този проблем. За разлика от повечето културни разновидности, дивите типове на картофеното растения могат да носят един или повече гени (R) за резистентност към Phytophthora infestans. Oще през далечната 1953 година са били описани 4 (R1-R4) гена за резистентност, а до днес са описани още едно цяло множество. За да се справим с тази инфекция, биолозите се възползват от методите на класическата генетика, за да пренесат тези гени чрез кръстосване от дивите към домашните растения. За нещастие класическото кръстосване е изключително бавен и неефективен процес. Успяват да се пренесат единични гени, които са ефективни към малък брой щамове на плесента. За истинска ефективност е нужна експресия на множество гени за резистентност едновременно.

Тук идва и вторият голям проблем. Картофите са тетраплоидни растения (имат 4 копия на генома си) и са добре изразени хетерозиготни организми. Това означава, че практически е невъзможно с класическите методи на генетиката (кръстосването) да се пренесат множество (да не говорим за всички) гени за резистентност върху един културен вид, а в същото време да се запазят и всички ценни вкусови и физични качества на растението. За да разберете колко е трудно подобно кръстосване, трябва да знаете, че е отнело е цели 45 години да се пренесе един ген за резистентност от Solanum bulbocastanum в културен вид.

За наше щастие развитието на молекулярните технологии и генетично инженерство ни дава нужните инструменти за директен трансфер на всички R гени в съществуващи културни видове без никаква резистентност. Тук става дума за така наречения цис (cis) трансфер на гени между индивиди на един и същи вид или между близкородствени. Гени, които по принцип са характерни за самия вид. Това не е транс (trans) трансфер на гени от различни далечни видове. Така е създаден сортът “3R”, в който са пренесени 3 гена за резистентност, избрани за широката им инхибираща способност спрямо различни щамове на P. infestans.

От 2015 година до днес се извършват полеви експерименти в Уганда, спазвайки всички мерки за безопасност и под сериозен регулаторен контрол. След проведените множество експерименти е установено, че всички създадени 3R варианти са били непокътнати от маната (инфекциозното заболяване) в условие на неизползване на никакви фунгициди, докато контролната група (растения без гени за резистентност) просто е била унищожена. Изпробвана е и друга 3R вариация, наречена Виктория. Тази вариация е изпитвана в над 12 полеви експеримента и се е развила без проблем, непокътната от плесента и без използване на фунгициди.

3R вариации са били тествани и в други държави като Нидерландия, Белгия, Ирландия, Обединеното кралство, САЩ, Швеция, Индонезия. Отново не са били използвани никакви фунгициди или считани за опасни химични препарати, растенията не са били засегнати от плесента и най-важното – не са установени негативни ефекти върху околната среда.

Красотата в този метод е, че имаме толкова голям запас от R гени, че дори плесента да развие резистентност към тях, могат да се подберат други R гени за създаване на нов издръжлив сорт.

Безопасeн ли е 3R Victoria сортът за хората?

Това е въпросът, който всеки си задава. Хубавото е, че в картофите не се “вкарва” нищо непознато. R гените кодират протеини с маса от 150 kDa (сравнително големи), които са естествени за картофите. Тоест в картофите не се пренасят нехарактерни за тях гени. По-скоро се пренася информация от картоф на друг картоф. Хората разбира се винаги са консумирали картофи, в които естествено е бил експресиран някой от R гените, което показва, че те всъщност за нас са напълно безопасни. Трите гена, които са инкорпорирани в генома на сорта 3R Victoria всъщност се срещат напълно естествено в картофените растения Solanum bulbocastanum и Solanum venturii.

R гените се активират само и единствено при наличие на плесенния патоген. Синтезът на протеини се осъществява в самото растение и те почти не се откриват в картофа, който хората консумират. Кодираните протеини от своя страна не са токсини, нямат токсично действие. Те по-скоро сигнализират и карат инфектираните клетки в растението да се самоубият, лишавайки инфекциозния агент от хранителни вещества и възможност за развитие. Възможността на протеините да възбудят алергична реакция е проучена и е открито, че те не са алергени. Относно качествата на самия картоф след проведени изследвания се оказва, че той не се различава по нищо в сравнение с картофите от немодифицираното растение по отношение на налична влага, въглехидрати (и най-вече редуциращи захари), витамин С, пепел, протеин, гликоалкалоиди.

Безопасност за околната среда

Чисто теоретично няма риск за околната среда от въвеждането на сорта 3R Victoria. Полеви опити на други трансгенни сортове, които експресират R протеини показват, че тези сортове не унищожават моделна фауна, характерна за местообитанието в продължение на два сезона, което е признак за безопасността за околната среда.

Подобни полеви изпитвания със сорта 3R Victoria са проведени и в Уганда, а резултатите също показват, че модифицираните растения не оказват негативни ефекти върху околната среда.

Етика

Към момента масовата практика е да се използват или сортове с частична резистентност, която не е ефективна, или да се използват и фунгициди. Използването на фунгициди, дори биологично сертифицирани (като съдържащите мед съединения), имат силно негативно действие върху околната среда и най-вече върху почвената екосистема. Дори биологичните препарати се определят като ксенобиотици и замърсяване на околната среда с ксенобиотици. Буквално те убиват и неприцелни организми. 3R вариантите не просто щадят околната среда, увеличават добивите, но и правят продукцията по-евтина, защото се редуцира нуждата от закупуване на скъпи пестициди и хабене на гориво за пръскане. Изчислено е, че фермерите в Уганда, които са преминали към отглеждане на сорта 3R Victoria, са увеличили печалбата си с 40%. Нека не забравяме и че по-малко пестициди, енергия и горива означава и по-малък въглероден отпечатък върху околната среда.

Може да се стигне до извода, че трансгенните, модифицирани сортове правят отглеждането на картофи по-устойчиво, укрепва земеделския сектор, редуцира риска от масов глад, повишават се доходи и печалба и естествено – природата се опазва, а земеделието става една идея по-малко деструктивно.

Все още сортът 3R Victoria се изпитва в полеви условия и подлежи на регистрация и одобрение за масово разпространение. Самият сорт е дело на изцяло публично финансирани организации, което означава, че няма да има нужда за допълнителни плащания за патент или технологии – сортът ще е финансово по-достъпен. Разбира се проучванията върху сорта ще продължат, за да се следи ефективността му. Но най-важното е, че ще е нужно хората да се убедят, че новият сорт не е вреден. Видно от истерията по ваксините и чиповете, това няма да е лесна задача…

Използвани източници:

1) https://www.openaccessgovernment.org/late-blight-disease/108180/?fbclid=IwAR3Nyx3Xrey-9XCqd4VelTgX4LLKPbJ4taA2a2OFKsZeYvowNAD2xTrW4aE

2) Rodewald, J. and Trognitz, B. (2013), Solanum Rpi genes and their avirulence counterparts. Molecular Plant Pathology, 14: 740-757. https://doi.org/10.1111/mpp.12036

3) Ballvora A, Ercolano MR, Weiss J, Meksem K, Bormann CA, Oberhagemann P, Salamini F, Gebhardt C. The R1 gene for potato resistance to late blight (Phytophthora infestans) belongs to the leucine zipper/NBS/LRR class of plant resistance genes. Plant J. 2002 May;30(3):361-71. doi: 10.1046/j.1365-313x.2001.01292.x. PMID: 12000683.

4) Allergenicity assessment of genetically modified crops – what makes sense? Nat Biotech 26(1):73-81.

5) Food safety evaluation for R-proteins introduced by biotechnology: a case study of VNT1 in late blight protected potatoes. Regulatory Toxicology and Pharmacology, 95, 66-74.

6) Haverkort, A. J., Boonekamp, P. M., Hutten, R., Jacobsen, E., et al. (2008). Societal costs of late blight in potato and prospects of durable resistance through cisgenic modification. Potato research, 51(1), 47-57.

7) Jupe, F., Witek, K., Verweij, W., Śliwka, J., et al. (2013). Resistance gene enrichment sequencing (RenSeq) enables reannotation of the NB-LRR gene family from sequenced plant genomes and rapid mapping of resistance loci in segregating populations. The Plant Journal, 76(3), 530-544.

8) Kessel, G. J., Mullins, E., Evenhuis, A., Stellingwerf, J., et al. (2018). Development and validation of IPM strategies for the cultivation of cisgenically modified late blight resistant potato. European Journal of Agronomy, 96, 146-155.

9) Nicolia, A., Manzo, A., Veronesi, F., & Rosellini, D. (2014). An overview of the last 10 years of genetically engineered crop safety research. Critical reviews in biotechnology, 34(1), 77-88.

10) OECD (2015), “Potato (Solanum tuberosum ssp. tuberosum)”, in Safety Assessment of Foods and Feeds Derived from Transgenic Crops, Volume 1, OECD Publishing, Paris. DOI: http://dx.doi.org/

11) 10.1787/9789264180147-7-envan der Voet, H., Goedhart, P. W., Lazebnik, J., Kessel, G. J., et al. (2019). Equivalence analysis to support environmental safety assessment: Using nontarget organism count data from field trials with cisgenically modified potato. Ecology and evolution, 9(5), 2863-2882.

12) Vleeshouwers, V.G., Finkers, R., Budding, D., Visser, M., Jacobs, M.M., van Berloo, R., Pel, M., Champouret, N., Bakker, E., Krenek, P. and Rietman, H., 2011. SolRgene: an online database to explore disease resistance genes in tuber-bearing Solanum species. BMC plant biology, 11(1), p.116.

Хареса ли ти тази статия? Може да подкрепиш biologist чрез Patreon!