Трансгенные растения с точки зрения их безопасности

Уважаемые коллеги,

Спасибо за приглашение принять участие в дискуссии. К сожалению, мы не являлись очными участниками в упоминаемго симпозиума, поскольку, отправив туда тезисы, не получили никакого подтверждения о их принятии (даже после запроса). Эта техническая накладка не позволила нам приехать на симпозиум, так что обсуждать, что происходило на нем, мы не имеем ни возможности, ни права. Высказать же свои соображения относительно трансгенных растений вполне в наших силах.

Т.В. Матвеева, к.б.н., науч. сотр. Биологического НИИ Санкт-Петербургского государственного университета,

Д.И. Богомаз, к.б.н., ассистент кафедры генетики и селекции Санкт-Петербургского государственного университета,

Е.А. Андреева, к.б.н., ассистент кафедры генетики и селекции Санкт-Петербургского государственного университета.

Трансгенные растения с точки зрения их безопасности для человека и окружающей среды

Проблема широкого внедрения трансгенных растений ставит множество вопросов перед обществом. Важное место среди них занимают вопросы, связанные с безопасностью ГМО.

К сожалению, в последнее время появляется все больше "мифов" относительно природы и свойств трансгенных растений. Возможно, этому способствуют чьи-то экономические интересы. Однако "мифы" подхватываются среди населения страх при одном лишь упоминании о трансгенности.

Часть из таких мифов оказалась и в одном из выступлений на Вашем сайте (статья Ермаковой И.В.)

Постараемся их прокомментировать.

…с помощью генной инженерии уже получены гибриды картофеля с томатом, сои с сизым табаком, подсолнечника с фасолем (санбин) и др. [1]. Есть и более обескураживающие данные: морозоустойчивый сорт помидоров со встроенным геном камбалы или разработанный американскими биотехнологами новый способ управления развитием конечностей у зародышей курицы так, чтобы они становились только крыльями или ногами [1].

Начиная разговор о спасении или погибели человечества, которые могут принести (и/или несут) трансгенные организмы, вероятно, следовало бы сначала разобраться, что это такое. Так, в первом абзаце своего письма автор пишет о "гибридах картофеля с томатом, сои с сизым табаком, подсолнечника с фасолем (санбин) и др." как об организмах, полученных с помощью методов генной инженерии. Процитированная фраза вызывает недоумение не только тем, что автор отождествляет гибридизацию и "трансгенизацию", но и тем, что гибриды картофеля и томатов можно получить (и они получены) методами соматической гибридизации, без применения столь пугающих автора генно-инженерных методов, а также тем, что фасоль оказалась мужского рода:) Кстати, первые работы по соматической гибридизации растений были проведены в 20-е г.г. прошлого века в нашей стране Г.Д. Карпеченко, в результате были получены редично-капустные гибриды (Raphanobrassica). Этот хрестоматийный пример приведен в учебниках по общей генетике, например, учебник "Генетика с основами селекции", Инге-Вечтомов, 1989 г., штудируемый студентами 2-го курса биолого-почвенного факультета.

По поводу других "обескураживающих" данных. Слово "обескуражить" по толковому словарю русского языка С.Ю. Ожегова и Н.Ю. Шведовой значит "лишить уверенности в себе, привести в состояние растерянности, озадачить". По-видимому, уверенности автор лишился, узнав о "новом способе управления развитием конечностей у зародышей курицы так, чтобы они становились только крыльями или ногами". Забавно, но о том, что изменения в работе особой группы генов животных (гомеозисные гены) в эмбриогенезе приводят к тому, что вместо одной структуры возникают другие, известно по меньшей мере с конца 70-х г.г. прошлого века. Например, у плодовой мушки вместо антенны на голове вырастают ноги (мутация Antennapedia) Эта информация приведена в книге С. Гилберта "Биология развития" (1993 г., т.2, стр. 147), используемой в качестве учебника для студентов по эмбриологии.

Можно ли рассматривать трансгенизацию как альтернативу эволюции? Всем известно, что эволюция живых организмов определяется изменчивостью, наследственностью и естественным отбором организмов. В ходе эволюции "геном меняется сбалансировано в соответствии с требованием внутреннего гомеостаза и окружающего биогеоценоза"[2]. При трансгенизации направленность развития организмов, их изменчивость и отбор будут определяться человеком и его интересами. Достаточно ли у Человека знаний, чтобы исполнять роль творца Эволюции?

Обсуждая данное высказывание хочется обратиться к сортам и породам, полученным традиционными методами селекции (гибридизация, мутационный процесс, искусственный отбор). Длительная и плодотворная работа селекционеров привела к получению форм с хозяйственно-ценными признаками, однако, если сравнить сорта культурных растений и породы животных с их дикими предками, то станет ясно, что все новоприобретения с экологической и эволюционной точки зрения являются уродствами. Вот где можно говорить о каких-либо нарушениях "сбалансированности генома" ( например, в форме измененной экспрессии регуляторных генов). Тем не менее, плоды традиционных методов селекции не вызывают опасений. Трансгенные растения зачастую не отличить по морфологическим признакам от исходных сортов (если целью не является изменение морфологии). Дисбаланс на уровне генома в любом случае отражается на морфологии. В этой связи кажутся странными опасения несбалансированности генома, вызванной введением трансгена.

Ученые до сих пор не могут понять, как "уложена"ДНК в клетке. В ДНК бактерий недавно обнаружена сверхспирализация - аномальное скручивание спирали, при котором ее витки похожи на лист Мебиуса [3]. "… геном выглядит раскрытой книгой, так что остается лишь улучить момент, чтобы ее прочесть. Увы, в действительности все сложнее. Книга не только закрыта, но и опломбирована, да еще и упакована весьма изобретательно.

О наличии суперспирализации ДНК известно уже давно. Об этом можно прочесть в классических учебниках по молекулярной генетике 80-х годов прошлого века (Льюин. Гены. Пер. с англ. М: Мир, 1987). В настояшее время отсеквенированы геномы многих прокариот, в том числе агробактерии (Wood D. et al Science, 2001), а также эукариот, включая растения. Это открывает широкий простор для "чтения" и толкования "книги ДНК".

Кольцо Мебиуса - это неудачная спекуляция в отношении супервитков спирали ДНК. С середины прошлого века известно, что цепи ДНК антипараллельны (Watson, Crick, Nature, 1953). Следовательно, необходимо целое число супервитков для сохранения структуры ДНК. То есть, тот, кто употребил это понятие, не знает или определения понятия "кольцо Мебиуса", или структуры ДНК.

Правительственные исследования в Шотландском Институте Урожая (Scottish Crop Institute) показали опасность ГМ растений для насекомых. Божьих коровок кормили тлей, которую разводили на ГМ картофельных растениях. Жизнь божьих коровок сокращалась до половины ожидаемой продолжительности жизни, а их плодовитость и кладка яиц значительно уменьшалась [5]. Неблагоприятное воздействие пыльцы трансгенной Bt-кукурузы на насекомых было показано в ряде работ. В исследовании, опубликованном в журнале Nature, сравниваются три группы личинок бабочки Монарх Danaus plexippus. У той группы личинок, которая кормилась растительным млечным соком (milkweed) с ГМ-пыльцой, наблюдалось замедленное развитие и низкий процент выживаемости [6]. В другой работе было обнаружено негативное влияние Bt-кукурузы на бабочку-парусник [7].

Прежде, чем рассуждать о влиянии сельскохозяйственных культур на окружающую среду, нужно отдавать себе отчет в том, что вообще агроценозы глубоко противны эволюционно сложившимся природным сообществам. Так само создание возделываемых площадей, их обработка, мероприятия по повышению плодородия почв и защиты растений от вредителей и болезней (классическими способами) наносят катастрофический ущерб биогеоценозам. Тем не менее, даже самому безумному природозащитнику не прейдет в голову бороться с современной системой сельхозпроизводства. Итак, мы выяснили, что для рационального природопользования на современном этапе развития технологий, приходится опираться на принцип наименьшего зла. Так что же является наименьшим злом в данной области? Идеальный вариант вообще не использовать пестициды (инсектициды, гербициды и пр.), но в этом случае потери урожая могут достигать 90% и более. Согласитесь, крайне расточительно использовать отторгнутые у Природы площади столь нерационально, ведь придется возделывать в 10 раз большие поля для прокормления того же количества людей. Может показаться, что альтернативы химическим средствам защиты растений нет, придется мириться и с воздействием химических препаратов на почву и грунтовые воды, о какой то селективности в отношении нецелевой фауны в случае их применения, вообще говорить глупо, да и сами химические производства не полезны для окружающей среды, но альтернатива есть. С 1951 г. стал доступен биологический препарат с инсектицидной активностью - культура Bacillus thuringiensis. Bacillus thuringiensis - энтомопатогенный аэробный почвенный грамположительный микроорганизм, обладающий способностью в ходе споруляции образовывать включения, состоящие из энтомоцидных белков - дельта-эндотоксинов (также называемых Cry-белками) (Baum, Malvar, 1995). Инсектицид (белковый токсин) В. thuringiensis subsp. kurstaki и других штаммов находится в клетке в виде так называемого параспорального кристалла - структуры, которая образуется во время споруляции бактерий.

В настоящее время описано более 60 подвидов Bacillus thuringiensis (subsp.) Например, В. thuringiensis subsp. kurstaki токсичен для личинок чешуекрылых (в том числе моли и бабочек), для личинок толстоголовки, мермитид и гусениц листовертки-почкоеда елового. В. thuringiensis subsp. israelensis уничтожает двукрылых: комаров и мошек. В. thuringiensis subsp. tenebrionis (также известный как san diego) эффективен в отношении жесткокрылых, в том числе колорадского жука и хлопкового долгоносика (Глик Б., Пастернак Дж., 2002). За последние десять лет эта бактерия стала основным инструментом контроля численности гусениц листовертки-почкоеда елового в Канаде. В 1979 г. лишь над 1% лесов Канады, обрабатываемых инсектицидами с целью уничтожения этого насекомого (что соответствует примерно 2 млн. га), распыляли В. thuringiensis subsp. kurstaki; остальные площади обрабатывали химическими инсектицидами. К 1986 г. масштабы использования В. thuringiensis subsp. kurstaki возросли до 74%. В других странах В. thuringiensis subsp. kurstaki используют для борьбы с коконопрядом, непарным шелкопрядом, мертимидами, совкой капустной и бражником. Bt токсин высокоселективен - каждый вариант Bt токсина специфичен для определенных отрядов насекомых, для млекопитающих препарат не токсичен, в их пищеварительной системе он переваривается. Излишне говорить, что от его применения в течение полувека в отличие от химических препаратов не наблюдались заморы рыб, отравление зверей и прочие негативные последствия на биоценозы. Однако, и в этом случае не обошлось без недостатков.

Во-первых, высокая дороговизна Bt препаратов- стоимость в 1,5-3 раза выше, чем химических инсектицидов, во-вторых, препарат может воздействовать только на насекомых повреждающих внешние ткани растения, и наконец, необходимы производственные мощности для получения препарата и технические средства для его внесения. Выход подсказала генная инженерия. Теперь биотехнологи в состоянии получать растения в которых продуцируется этот самый Bt токсин. Мало того, получены растения в которых Bt токсин экспрессируется, как часть естественной системы защиты растений от патогенов, т.е. токсин начинает вырабатываться только при условии воздействия вредителя.

Проверять Bt растения на безопасность, конечно надо. Но тест системы для этих целей должны быть адекватны. Например, нельзя проверять безопасность инсектицидов на насекомых, для того инсектициды и созданы, что бы убивать насекомых. Никому не приходит в голову проверять безопасность бытовых фумигаторов на комарах.

Теперь вернемся к постулированному изначально принципу наименьшего зла: на одной чаше весов безопасный для человека и большинства животных Bt токсин, для производства и внесения которого не требуются мощности заводов, техники, действующий селективно и ограниченно (только на насекомых нападающих на защищаемое растение), на другой чаше весов химические препараты токсичные для млекопитающих, для синтеза, которых требуются небезопасные производства, для внесения необходима техника, люди.

При использовании плазмид агробактерий в процессе биотехнологических процедур "исследователь априори не знает, какая клетка эксплантата трансформируется, сколько копий Т-ДНК встроится в геном и в какие хромосомы, и не в силах это контролировать, но, одновременно модифицируя множество эксплантатов, впоследствии отбирают те регенерировавшие растения, что представляют для него интерес" [14, стр.100]. Остается открытым вопрос, куда деваются "невстроенные" плазмиды с генами?

Действительно, невозможно заранее предсказать, куда встроится Т-ДНК, однако, вставку Т-ДНК легко выявить, имея в распоряжении конкретное трансгенное растение. От части полученного растительного материала исследователям приходится отказываться. Таким же образом дело обстоит с использованием мутационного процесса в классической селекции, с той только разницей, что после воздействия мутагена надо проводить отбор среди гораздо большего количества форм и природу мутации (какой ген мутировал) выявить намного сложнее.

"Невстроенные плазмиды" остаются в клетках агробактерий. Встраиваются в геном растений не плазмиды, а их фрагменты, называемые Т-ДНК. Этот вопрос ясен с 70-80-х годов прошлого века (Van Montagu et al, Proc R Soc Lond B Biol Sci. 1980; Zambruski et al, Science. 1980)

Бесплодными являются и большинство трансгенных организмов. Внедрение чужеродных генов других видов или классов в организмы приводит к определенному генетическому сбою и к блокированию процессов размножения: своеобразный "протест" природы против распространения генетических химер.

При генно-инженерных манипуляциях внутреннюю последовательность Т-ДНК дикого типа замещают генам, которые впоследствии хотят привнести в растение. Такие трансгенные организмы в большинстве случаев являются фертильными. При трансформации одной копией Т-ДНК ее наследование происходит по законам Менделя (Otten, Mol. Gen. Genet., 1981). Исключение составляют те варианты, когда стерильность является целью исследователя. Кроме того, стерильные растения могут появляться при трансформации генами, вовлеченными в метаболизм растительных гормонов.

Cторонники ГМО утверждают, что ГМ-вставки полностью разрушаются в желудочно-кишечном тракте человека. Какая разница, что мы едим, все равно все распадается на составные части. Судя по всему, это основной и единственный аргумент защитников трансгенных продуктов. Однако в книге под редакцией известного генетика Л.И.Корочкина профессором Института молекулярной генетики РАН В.А.Гвоздевым написано "… поедание организмов друг другом может лежать в основе горизонтального переноса, поскольку показано, что ДНК переваривается не до конца и отдельные молекулы могут попадать из кишечника в клетку и в ядро, а затем интегрироваться в хромосому"[16, стр.70]. …

К сожалению, в продажу поступает достаточно много трансгенных продуктов. Плазмиды с ГМ-вставками могут попадать в бактерии желудочно-кишечного тракта, а затем и в клетки крови, половые и другие клетки человека, трансформируя их. Из "трансформированных" половых клеток будут появляться дети с генами от других видов и классов животных или растений, т.е. появляться генетические "химеры", большинство из которых, к тому же, будут бесплодными. Подтверждением изложенного могут являться исследования Schubbert с соавт. на мышах, которые обнаружили генетически модифицированные вставки в крови и в разных органах внутриутробных плодов и новорожденных мышат после кормления беременных самок трансгенным кормом [18].

Горизонтальный перенос генов (ГПГ) - обычное явление для прокариотических организмов. В то же время ГПГ между про- и эукариотами, и уж тем более между эукариотами является событием достаточно редким. Так примеры ГПГ от агробактерий к растениям отмечены лишь среди представителей рода Nicotiana (White et al., Science, 1983; Intrieri, Buiatti, Molecular Phylogenetics and evolution, 2001). В данном случае речь идет о наличии в геномах отдельных видов этого рода вставок Т-ДНК, гомологичных Т-ДНК Agrobacterium rhizogenes, передающихся половым путем потомству. При этом показано, что такие вставки - результат независимых актов трансформации соответствующих видов растений в процессе их эволюции, а не горизонтального переноса ДНК от одного вида растения другому (Suzuki et al, Plant J., 2002)

Задокументированных случаев передачи ДНК от растений к животным не известно. Те же работы, которые цитирует И.В. Ермакова (Schubbert с соавт) весьма косвенно связаны с темой разговора, поскольку в них описаны эксперименты по введению мышам ДНК фага M13 (вируса бактерий), что, далеко, не тождественно кормлению трансгенным растением. Извращение фактов, которое позволяет себе Ермакова И.В. вызывает сильное удивление.

В высказывании В.А. Гвоздева также нет ни слова о трансгенных растениях и их ДНК. А те процессы, которые он упоминает, если и происходят, то частота их исчезающе мала. Если было бы иначе, и фрагменты ДНК массово встраивались в хромосомы клеток кишечника, а потом еще мистическим образом оказывались в половых клетках, то за свою долгую эволюционную историю люди захватили бы множество генов растений и животных, которыми питались и, возможно уже начали, например, фотосинтезировать.

Обидно, что огромные усилия по созданию трансгенных растений (от теоретических разработок до внедрения) практически сводятся на нет недобросовестными комментаторами, зачастую не углубляющимися в суть вопроса.

Никто не спорит, что внедрять каждый конкретный образец трансгенных растений надо с большой осторожностью, тщательно анализируя все воздействия, которые он может оказать на нас и окружающую природу. Никто не отрицает необходимости развития законодательной базы в этой области. Безусловно, отдельного внимания и финансовой поддержки заслуживает вопрос количественной оценки продуктов на наличие в них трансгенных организмов (для последующего маркирования.

Тем не менее, не следует панически бояться самого факта трансгенности растений и избегать употребления продуктов на том лишь основании, что в них присутствуют в каком-либо виде трансгенные растения. В нашей повседневной жизни мы сталкиваемся с факторами, представляющими гораздо более ощутимую угрозу для нашего здоровья и "здоровья" окружающей среды (пестициды, минеральные удобрения в избыточных количествах….), чем трансгенные растения. Причем воздействие части из этих факторов можно заметно снизить, широко внедряя трансгенные растения.