МСХ США зафиксировало, что общие площади под кукурузой снизились до 38,5 миллиона гектаров. Аграрии перенаправляют высвободившиеся гектары под более маржинальную в текущих условиях сою, однако доля ГМО посевов кукурузы удерживает монопольную планку в 92%. В условиях давления цен и прогнозируемого сокращения посевов на следующий год американские фермеры делают ставку на максимальную эффективность каждого оставшегося гектара. Внутри самого ГМО-сегмента кукурузы прогнозируется рост площадей под так называемыми «stacked» (мультистековыми) гибридами, которые должны защитить от главного антагониста ГМО-кукурузы — диабротики.
В сезоне 2027 общая площадь кукурузных полей в США станет меньше, но концентрация высоких биотехнологий на каждом оставшемся акре только возрастет. Так, компания Syngenta выводит на американский рынок технологию под названием Durastak, которая представляет собой первую в индустрии генетическую комбинацию (стек) сразу из трех различных Bt-белков для борьбы с личинками западного кукурузного жука Diabrotica virgifera. Это один из самых опасных вредителей, приносящий фермерским хозяйствам убытки до 1 миллиарда долларов ежегодно, так как его личинки выедают корни растений кукурузы изнутри.
Внедрение трех белков обеспечивает три разных механизма воздействия на вредителя, что критически важно, так как насекомое быстро вырабатывает устойчивость к какому-то одному типу ГМО-защиты. Гибриды кукурузы Durastak синтезируют Bt-белки (инсектицидные белки бактерии Bacillus thuringiensis), безопасные для человека, но смертельные для вредителя. За счет «тройного удара» эффективность защиты корней увеличивается на 50% по сравнению с предыдущими поколениями семян. Кукуруза получает усиленную защиту корневых узлов, растение прочно держится в почве, лучше усваивает воду и дает прибавку к урожаю в среднем на 9,7 бушелей с акра (около 6 центнеров с гектара). Эта ГМО-технология была одобрена Агентством по охране окружающей среды США (EPA) и полноценно выходит на коммерческий рынок для посева.
Вредители, включая диабротику, обходят обычную ГМО-защиту за счет фундаментального механизма эволюции — направленного естественного отбора.
Когда на поле высаживается кукуруза, вырабатывающая только один тип Bt-белка, погибает 99% популяции вредителя. Однако среди миллионов личинок всегда находятся единичные особи со случайной генетической мутацией, которая делает их устойчивыми к этому конкретному токсину. Выжившие «супервредители» спариваются между собой и передают ген устойчивости потомству. Спустя несколько поколений на поле формируется популяция насекомых, на которую данный ГМО-гибрид больше не действует.
Мультистеки, такие как Durastak, меняют правила игры с помощью стратегии «пирамидирования» генов. Они атакуют разные мишени в организме вредителя, а не просто дублируют друг друга. Например, первый белок связывается с одними рецепторами в кишечнике червя, второй — с другими, а третий разрушает клетки по иному пути.
Для того чтобы выжить на поле с мультистеком, случайная личинка должна одновременно обладать тремя разными редкими мутациями устойчивости ко всем тремя белкам сразу. Вероятность появления такого насекомого в природе математически близка к нулю.
В технологический комплекс Durastak для защиты подземной части кукурузы от корневого червя вошли следующие три Bt-белка:
• eCry3.1Ab — модифицированный инсектицидный белок, который является ключевым компонентом предыдущей технологии Duracade. Он точечно связывается с рецепторами в клетках средней кишки личинок вредителя.
• mCry3A — еще один специализированный белок (известный по линии Agrisure RW), оптимизированный для распознавания жесткокрылых вредителей (жуков и их личинок).
• Cry34/35Ab1 (также обозначается как бинарный комплекс Cry34Ab1 и Cry35Ab1) — важнейший сторонний белок, который Syngenta добавила в эту комбинацию для создания полноценного «тройного стека». Его уникальность в том, что он действует на корневого червя по совершенно иному биохимическому пути, чем семейство Cry3.
Дополнительная защита (версия Durastak Viptera)
Помимо этой тройки для борьбы с подземными червями, в коммерческие семена также интегрируются белки для защиты надземной части растения от гусениц и совок (чешуекрылых):
• Vip3A — передовая защита от совок, включая лиственную кукурузную совку.
• Cry1Ab и Cry1F — проверенные белки против кукурузного мотылька.
Стоит пояснить, почему белок Cry34/35Ab1 называют бинарным токсином. Дело в том, что он состоит из двух абсолютно разных независимых белков (компонентов), которые работают только в паре. Ни один из них по отдельности не способен нанести вред диабротике, но вместе они представляют эффективный инструмент.
Первый компонент (Cry34Ab1, молекулярная масса ~14 кДа) отвечает за первичное распознавание и связывание с клетками кишечника насекомого. Второй компонент (Cry35Ab1, масса ~44 кДа) играет роль мощного разрушительного оружия, но сам по себе он не может «найти дорогу» к клеткам без первого. Внутри кишечника личинки Cry34Ab1 прикрепляется к специфическим рецепторам на поверхности мембраны клеток. Только после этого к нему присоединяется Cry35Ab1, образуя единый функциональный комплекс по принципу «замка и ключа». Объединившись, эти белки меняют свою форму, прошивают клеточную мембрану насквозь и формируют крупные поры (дыры). Клетка теряет осмотический баланс, в нее устремляется вода, что приводит к ее разрыву (лизису) и гибели вредителя.
Классические Bt-белки (такие как eCry3.1Ab и mCry3A) относятся к так называемым трехдоменным токсинам. Они имеют совершенно другую трехмерную структуру и ищут в кишечнике насекомого определенные рецепторы (например, кадгерины или щелочную фосфатазу).
Если у корневого червя в ходе эволюции мутирует рецептор для белков семейства Cry3, он станет к ним устойчив. Однако бинарный токсин Cry34/35Ab1 имеет принципиально иное строение: он цепляется за совершенно другие рецепторные участки, которые никак не связаны с Cry3.
История открытия бинарных Bt-токсинов (в частности, комплекса Cry34/35) — классический пример того, как острая практическая необходимость в сельском хозяйстве привела к фундаментальному биологическому прорыву в конце 1990-х и начале 2000-х годов. Тогда эффективность классических Bt-белков зашла в тупик.
В 1990-х годах биотехнологические компании (такие как Monsanto и Mycogen, которая позже стала частью Dow AgroSciences) активно внедряли первые ГМО-культуры. Они успешно использовали классические трехдоменные Bt-белки (например, Cry1 для борьбы с мотыльками и Cry3 для борьбы с жуками).
Однако западный кукурузный корневой червь (Diabrotica virgifera) оказался поразительно устойчив к большинству известных на тот момент природных Bt-токсинов. Стало понятно, что для победы над этим вредителем нужно искать принципиально новые молекулы в дикой природе.
Исследователи из компании Mycogen Corporation начали масштабный проект по скринингу. Они собирали образцы почв по всему миру и выделяли из них тысячи новых штаммов бактерии Bacillus thuringiensis.
В конце 1990-х годов в поле зрения ученых попал уникальный штамм под названием PS80JJ1. В ходе лабораторных тестов выяснилось, что экстракт из этой бактерии демонстрирует невиданную ранее стопроцентную эффективность против личинок кукурузного корневого червя.
Однако, когда ученые попытались выделить конкретный белок, отвечающий за гибель вредителя, они столкнулись с загадкой. При разделении белков методом электрофореза на геле всегда четко проступали две полосы: один белок полегче (около 14 кДа), другой — потяжелее (около 44 кДа).
Сначала исследователи подумали, что это просто смесь двух разных токсинов или продукт распада одного большого белка. Однако попытки очистить и протестировать их по отдельности провалились:
• Маленький белок отдельно — корневой червь жив.
• Большой белок отдельно — корневой червь жив.
• Смесь двух белков вместе — вредитель погибает за считанные часы.
Так был открыт первый бинарный инсектицидный комплекс, ориентированный на жесткокрылых. Позже, при официальной классификации Комитетом по номенклатуре Bt-токсинов, маленький белок получил имя Cry34Ab1, а большой — Cry35Ab1. Патент на это открытие был зарегистрирован в районе 2000–2001 годов.
Данное открытие перевернуло представление ученых о биологии бактерий Bacillus thuringiensis. Выяснилось, что в ходе эволюции бактерии научились кодировать в своем геноме целые «бинарные системы», где гены cry34 и cry35 находятся прямо друг за другом (в одном опероне) и считываются вместе.
Уже к 2005–2006 годам компании Dow AgroSciences и Pioneer Hi-Bred создали на основе этого открытия коммерческую ГМО-линию кукурузы Herculex RW, которая на долгие годы стала золотым стандартом защиты от корневого червя. А сегодня, спустя 20 лет, этот исторически важный бинарный токсин стал третьим элементом в новейшем «тройном стеке» Durastak.
В дополнение к мультистекам американский фермеры используют стратегию «убежищ»: около 5–20% поля засевают обычной, не ГМО-кукурузой. Там выживают обычные, чувствительные к токсину жуки. Они спариваются с редкими устойчивыми особями, прилетевшими с ГМО-поля, и их потомство снова становится уязвимым к Bt-белкам, что блокирует появление «супервредителей». Поэтому семена с технологией Durastak поставляются фермерам по самой удобной схеме — они уже смешаны сразу в одном мешке. Обычные (немодифицированные) семена уже смешаны на заводе с ГМО-семенами в необходимой пропорции (обычно это 5% убежища на 95% защищенной кукурузы). Они равномерно распределяются по всему полю при обычной посадке.
Регулирующие органы в США (такие как EPA) строго следят за созданием зон-убежищ для предотвращения появления супервредителей. Формат «все в одном мешке» гарантирует, что фермер соблюдает экологические требования, даже не совершая никаких дополнительных действий.
Понимание того, куда уходят колоссальные урожаи ГМО-кукурузы, объясняет приверженность американских фермеров к трансгенным гибридам культуры.
Для обычного потребителя слово «кукуруза» ассоциируется с пищей, однако в США структура сбыта ГМО-сегмента устроена совершенно иначе: почти весь урожай распределяется между тремя гигантскими индустриями. Около 40% зерна превращается в биоэтанол — экологическую добавку к автомобильному топливу, производство которой субсидируется правительством. Еще порядка 40% идет на внутренний рынок в качестве высококалорийного корма для скота и птицы (включая производство побочного продукта спиртовой дистилляции — барды). Оставшиеся 15–20% отправляются на экспорт: главными покупателями выступают Мексика, Япония, Южная Корея и Колумбия, чье животноводство и перерабатывающая промышленность зависимы от стабильных поставок из США. ГМО-кукуруза в США — это не столько продукт питания, сколько базовое промышленное сырье, топливо и корма для животных, что и делает ее выращивание стратегически выгодным.
По прогнозам Министерства сельского хозяйства США (USDA) на текущую уборочную кампанию, общий урожай кукурузы составляет 15,8 миллиарда бушелей (это примерно 401,3 миллиона тонн в привычных метрических единицах). Несмотря на то, что это на 7% ниже прошлогоднего абсолютного рекорда, для США это все равно второй по величине урожай за всю историю страны.
Поскольку доля трансгенных посевов кукурузы в США удерживает планку в 92%, математика итогового сбора ГМО-сегмента выглядит следующим образом: доля ГМО-кукурузы от общего объема: ~14,53 миллиарда бушелей (в метрической системе: ~369,2 миллиона тонн собранного ГМО-зерна).