Влияние генетически модифицированных культур на почвенные экосистемы (ч. 2)

Перейти к началу брошюры
«Экологические эффекты генетически модифицированных культур»

7.3. Влияние генетически модифицированных культур на почвенные организмы

Микроорганизмы доминируют среди населяющих почву организмов, как в отношении биомассы, так и в отношении активности (Bruinsma et al. 2003). Почвенная микрофауна участвует в ряде важнейших протекающих в почве процессов, в том числе в разложении органики, минерализации питательных веществ, борьбе с растительными патогенами, разложении сельскохозяйственных химикатов и улучшении структуры почвы (Gupta & Yeates 1997). Тесная взаимосвязь между выращиванием культуры и почвенными процессами неизбежно приводит к взаимодействию почвенных организмов и синтезируемых ГМ культурами Bt-токсинов. Обсуждаемые в данном разделе данные, касающиеся влияния Bt-токсинов на почвенные организмы, получены в результате лабораторных и полевых экспериментов. К сожалению, при коммерческом культивировании ГМ культур подобных наблюдений не проводилось.

7.3.1. Бактерии и грибки

На настоящий момент оценка влияния Bt-культур на микроорганизмы проведена в рамках нескольких исследований, проведенных с использованием различных методик и параметров оценки (Bruinsma et al. 2003). Сравнительное изучение влияния Bt- и не-Bt-кукурузы на количество почвенных бактерий в парниковых условиях не выявило существенных изменений этого показателя (Brusetti et al. 2004). Как и ожидалось, в бактериальных сообществах участков почвы, свободных от корней растений, наблюдались более выраженные изменения, чем в бактериальных сообществах ризосферы. Эти изменения, однако, не зависели от конкретных культивируемых сортов. Кроме того, изменения регистрировались только молекулярными методами, в то время как традиционные культуральные методы не выявляли никаких изменений в популяционной структуре бактериальных сообществ (Brusetti et al. 2004).

При инкубации почвенных бактерий и грибков в образцах почвы с содержащими Cry1Ab корневыми экссудатами и разлагающимся растительным материалом значительных изменений в изучаемых популяциях также не наблюдалось (Saxena & Stotzky 2001a). Результаты сравнения, проведенного в фитотроне, указывают на то, что структура микробного сообщества определяется главным образом типом почвы (Blackwood & Buyer 2004).

При проведении полевых испытаний сорта кукурузы MON810 большее влияние на структуру бактериального сообщества оказывали возраст растений и неоднородность участков почвы, чем содержание в почве белка Cry1Ab (Baumgarte & Tebbe 2005). Результаты еще одной работы, проведенной в полевых условиях, свидетельствуют о том, что культивирование различных сортов обычной кукурузы ассоциировано с бОльшими различиями в бактериальных сообществах почвы по сравнению с различиями, выявленными при сравнении эффектов культивирования обычной и Bt-кукурузы (Griffiths et al. 2005).

Использование экспериментальной модели для мониторинга эффектов Bt-кукурузы на древовидные микоризные грибки (arbuscular mycorrhizal fungi) выявило влияние корневых экссудатов сорта Event 176 на жизненный цикл грибков Glomus mosseae посредством подавления пресимбиотического роста нитей грибницы. Подобного эффекта не наблюдалось при выращивании сорта Bt11 и обычной кукурузы (Turrini et al. 2004). Авторы утверждают, что полученные ими результаты, соответствующие данным, полученным при проведении испытаний в микрообъемах и парниковых условиях, выявивших низкий уровень микоризной колонизации корней кукурузы сорта Event 176 (Castaldini et al. 2005), можно объяснить значительно более низкой экспрессией токсина Cry1Ab корнями растений сорта Bt11 по сравнению с сортом Event 176 (Turrini et al. 2004). Эта интерпретация, однако, вызывает сомнения, так как Turrini et al. (2004) не оценивали непосредственную экспрессию Cry1Ab в корнях, а пользовались данными об экспрессии Cry1Ab пыльцой растений, предоставленными Агентством охраны окружающей среды США (EPA 2001). Вероятность подавления жизнедеятельности древовидных микоризных грибков при непосредственном влиянии Bt-токсинов, высвобождаемых корнями сорта Event 176, незначительна, так как корни растений этого сорта не экспрессируют токсин Cry1Ab (Koziel et al. 1993, Fearing et al. 1997, Dutton et al. 2003, Nguyen Thu 2004).

Таким образом, авторы большинства работ выявили некоторые различия при сравнении обычных и Bt-сортов кукурузы, однако использование различных методик значительно затрудняет сравнительную оценку результатов (Bruinsma et al. 2003). Причины наблюдаемых различий и их значение, как правило, не до конца ясны. Одним из факторов, затрудняющих оценку этих изменений, является большое разнообразие населяющих почву микроорганизмов, и высокая степень вариабельности популяционной структуры. Кроме того, разнообразие (видовое и функциональное) микробных сообществ почвы подвергается влиянию множества факторов окружающей среды, в том числе видов растений, водного режима, удобрения и обработки почвы, грибковых заболеваний, улучшения лугов, нитрификации и глубины плодородного слоя почвы (Cartwright et al. 2004). Информация о многообразии бактериальных сообществ почвы ограничена, так как только некоторые из почвенных микроорганизмов можно идентифицировать и культивировать с помощью стандартных методов (Motavalli et al. 2004).

В силу недостатка информации очень трудно определить важность и функциональные последствия выявленных вариаций в почвенных популяциях. Однако уже существует методологические подходы, в том числе методы молекулярной биологии, способные помочь в интерпретации эффектов, оказываемых ГМ культурами на экологию почвенных микроорганизмов (Bruinsma et al. 2003). Молекулярные методы геномной дактилоскопии позволяют получать информацию, являющуюся своего рода базой генетических «отпечатков пальцев» анализируемого микробного сообщества. Однако приемлемого определения таксона, которое можно было бы использовать для описания почвенных микроорганизмов, пока не существует (Widmer & Oberholzer 2003).

В рамках большинства работ, в которых оценивалось влияние ГМ культур на почвенные экосистемы, не проводилась оценка естественных вариаций, характерных для сельскохозяйственных экосистем, поэтому очень трудно говорить о том, превышают ли эффекты, оказываемые обычными и Bt-культурами, уровень естественных вариаций. Результаты единственного исследования, проведенного с учетом природных вариаций, указывают на то, что различия, наблюдаемые при выращивании обычных и Bt-культур не так велики, как различия, ассоциированные с различными методами обработки почвы и параметрами окружающей среды (Griffiths et al. 2005).

7.3.2. Нематоды

Влияние токсинов Cry1Ab на нематод изучалось тремя группами исследователей с использованием образцов почвы с полей, засеваемых кукурузой обычных и Bt-сортов (Saxena & Stotzky 2001a, Manachini & Lozzia 2002, Griffiths et al. 2005). Результаты работы Saxena & Stotzky (2001a) указывают на отсутствие существенных различий в количестве нематод, населяющих ризосферу почвы, засеваемой Bt- и не-Bt-кукурузой. Полевые испытания сорта Bt-кукурузы Event 176 не выявили значительного влияния последнего на количество и разнообразие почвенных нематод по сравнению с традиционными сортами (Manachini & Lozzia 2002). Однако в одном из восьми регионов испытания в почве засеянных Bt-кукурузой полей преобладали нематоды, питающиеся грибками, в то время как в почве полей, засеянных изогенными гибридами, преобладали черви, питающиеся бактериями (Manachini & Lozzia 2002).

В полевых испытаниях, проведенных в рамках финансируемого ЕС проекта ECOGEN, в течение нескольких вегетативных сезонов оценивались и сравнивались эффекты культивирования сорта MON810, двух нетрансгенных сортов кукурузы (практически идентичного исследуемому и более отдаленного) и газонной травы на почвах различных типов, в разных климатических условиях (Griffiths et al. 2005). Во всех случаях культивирование Bt-кукурузы ассоциировалось со снижением количества нематод в почве. Уменьшение количества нематод происходило независимо от места культивирования и трофической группы, поэтому полученные результаты указывают на то, что Bt-токсины оказывают на нематод скорее непосредственное, чем косвенное, связанное с ухудшение качества пищи, влияние. Скорее всего, описанный эффект обусловлен комбинацией факторов, но его дальнейшее изучение Griffiths et al. (2005) не проводилось.

Более тщательное изучение популяционной структуры нематодных сообществ выявило достоверные отличия в сообществах различных экспериментальных делянок вне зависимости от культивируемого сорта. При этом выявленные различия, вызываемые культивацией Bt-кукурузы, не так значительны, как различия, наблюдаемые при выращивании различных традиционных сортов, различных культур и сопоставимы по значению с различиями, выявляемыми при изучении образцов, полученных на разных делянках или на разных стадиях вегетационного периода. Исследователи пришли к выводу, что оказываемые культивированием Bt-кукурузы эффекты не выходят за пределы нормальных вариаций, характерных для сельскохозяйственных систем (Griffiths et al. 2005). Ряд авторов отмечает уменьшение популяций нематод при культивировании Bt-кукурузы, однако ни в одной из работ не зарегистрировано значительного влияния культивирования Bt-сортов на популяционную структуру нематодных сообществ.

7.3.3. Мокрицы

Результаты трех лабораторных исследований указывают на отсутствие вредного влияния кукурузы, экспрессирующей токсин Cry1Ab, на мокриц Porcellio scaber (Escher et al. 2000, Wandeler et al. 2002, Pont & Nentwig 2005). Опыты по кормлению P.scaber показали, что насекомые употребляют в пищу одинаковое количество Bt- и не-Bt-растительного материала, кроме того, поедание растений Bt-сортов не влияет на количество потомства (Escher et al. 2000). Однако, как оказалось, для молодых форм насекомых, питающихся нетрансгенным растительным материалом, характерна более высокая смертность. Этот показатель, а также более быстрый набор веса взрослых особей P.scaber, питающихся трансгенной кукурузой, можно объяснить более высокой питательной ценностью использованного в эксперименте сорта: немного сниженное соотношение углерод:азот, низкое содержание лигнина, более высокое содержание растворимых углеводов (Escher et al. 2000).

В рамках более поздней работы в течение 20 дней в лабораторных условиях проводился эксперимент по кормлению P.scaber различными сортами кукурузы (использовались 6 обычных и 2 Bt-сорта) (Wandeler et al. 2002). Количество потребляемых листьев варьировало в зависимости от сорта. Оказалось, что, хотя насекомые гораздо менее охотно поедали листья одного из Bt-сортов, чем листья его нетрансгенного аналога, второй Bt-сорт оказался для насекомых одним из самых привлекательных из всех восьми изучаемых сортов. В целом авторы пришли к выводу, что на употребление мокрицами кукурузы большее влияние оказывают характеристики сорта, чем потенциальный эффект самого Bt-токсина. Продемонстрировано различие в энергоемкости растительной массы различных сортов, однако корреляций этого параметра с уровнем его употребления не выявлено (Wandeler et al. 2002).

В рамках последнего исследования особей P.scaber в течение 15 дней кормили листьями двух сортов кукурузы, экспрессирующих белок Cry1Ab (Pont & Nentwig 2005). Иммуноферментный анализ испражнений насекомых показал, что, в зависимости от сорта кукурузы, переваривается только 60-80% Bt-токсина. Результаты последующей биопробы продемонстрировали, что часть Bt-токсина, поглощаемого первичными редуцентами, не расщепляется и сохраняет инсектицидную активность (Pont & Nentwig 2005).

7.3.4. Ногохвостки и почвенные клещи

При проведении двух лабораторных исследований не выявлено отрицательного влияния Bt-токсина Cry1Ab на ногохвосток и почвенных клещей (Sims & Martin 1997, Yu et al. 1997). Синтезируемый бактериями очищенный Bt-токсин добавляли в корм ногохвосткам Folsomia candida и Xenylla goisea в концентрации 200 мкг/г свежего веса в течение 21 дня при температуре 19°C (Sims & Martin 1997). В полевых условиях концентрация Bt-токсинов в растительном материале, доступном почвенным организмам, значительно ниже и по оценкам составляет менее 30 мкг/г свежего веса (Sims & Martin 1997). Полученные результаты свидетельствуют об отсутствии влияния токсина на выживаемость и размножение взрослых особей и согласуются с данными Yu et al. (1997), полученными при экспериментах кормления F.candida и почвенных клещей Oppia nitens листьями хлопка, экспрессирующими белок Cry1Ab. В работе Yu et al. (1997) насекомых кормили свежими и замороженными шестинедельными листьями хлопка в течение семи недель при температуре 21°C. При этом не выявлено значительного влияния токсина ни на процесс откладывания яиц и их количество, ни на размер тела взрослого насекомого. Домаркетинговые исследования, проводимые в процессе подготовки к получению официального одобрения нескольких сортов Bt-кукурузы и Bt-хлопка, также не выявили отрицательного влияния белка Cry1A на Folsomia candida (EPA 2001).

7.3.5. Земляные черви

Влияние Bt-кукурузы, экспрессирующей токсин Cry1Ab, на земляных червей (Lumbricus terrestris) в лабораторных и полу-полевых условиях изучали группы Saxena & Strotzky (2001a) и Zwahlen et al. (2003b). Ни одна из работ не выявила достоверного влияния трансгенной кукурузы на земляных червей. В целом, лабораторные эксперименты по кормлению взрослых червей остатками Bt- и обычной кукурузы не выявили значительной разницы в массе червей обеих групп. На конечном этапе одной из работ кормящиеся Bt-кукурузой черви в течение непродолжительного периода теряли около 18% массы (Zwahlen et al. 2003b). В полу-полевых условиях изучение неполовозрелых особей земляных червей не выявило значительных отличий в динамике роста особей, питающихся Bt- и не-Bt-растительными отходами (Zwahlen et al. 2003b). Эти данные соответствуют результатам, полученным ранее Saxena & Stotzky (2001a), не выявившим значительных различий в весе особей L.terrestris, в течение 40 дней питавшихся Bt- и не-Bt-растительной биомассой, а также подвергавшихся воздействию соответствующих корневых экссудатов. В то же время Bt-токсины выявлялись в продуктах жизнедеятельности и органах пищеварения червей, что свидетельствует об их поступлении в организм. При помещении в не содержащую Bt-токсинов почву кишечник червей полностью очищался от токсинов в течение 2-3 дней. Домаркетинговая оценка риска, проведенная при подготовке к получению официального одобрения, не выявила токсичности белков Cry1A и для земляных червей вида Eisenia fetida (EPA 2001).

Перевод: Евгения Рябцева,
Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/

Продолжение: Влияние генетически модифицированных культур на протекающие в почве процессы .