Развитие молекулярной биологии в последние десятилетия позволило разработать мощные технологии, позволяющие целенаправленно вмешиваться в геном сельскохозяйственных культур, придавая растениям совершенно новые хозяйственно полезные свойства

Основной целью создания генетически модифицированных линий хлопчатника, является снижение объемов использования инсектицидов и повышение эффективности борьбы с сорняками. В соответствии с этим, выделяется два доминирующих направления создания ГМ-линий хлопчатника: устойчивость к насекомым и толерантность к гербицидам. В настоящее время также широко используются линии, сочетающие в себе оба этих свойства.

Биотехнологи работают и в других направлениях трансформации генома хлопчатника. В частности, использование его семян, богатых белками и жирными кислотами, в кормовых и пищевых целях сдерживается довольно высоким содержанием в них токсина госсипол. Недавно ученые нашли способ подавить биосинтез этого токсина, что повышает ценность хлопчатника в качестве источника кормов для скота и растительного масла. Ведутся работы по созданию генетически модифицированного хлопчатника, обладающего волокном с улучшенными механическими качествами или окрашенного в различные цвета за счет естественных красителей (например, индиго), а также повышению показателей волокна, идущего на специальные цели (медицинские и т.п.).

 Bt-хлопчатник

Почвенная бактерия Bacillus thuringiensis (Bt) является природным продуцентом вещества, токсичного для некоторых групп насекомых. В подавляющем большинстве случаев, это личинки чешуекрылых, жесткокрылых и двукрылых. Для большинства других насекомых данное вещество безвредно. Bt-токсин начал применяться задолго до того, как ученые узнали о молекулярных носителях наследственной информации. Он нарабатывался при культивировании бактерий и использовался для обработки растений.

Ученые смогли внедрить ген, продуцирующий токсин Bt, в геном хлопчатника (как и в геномы ряда других важных сельскохозяйственных культур). В результате, ткани хлопчатника стали самостоятельно синтезировать вещество, ядовитое для личинок насекомых из отряда чешуекрылые. Именно они (главным образом, хлопковая совка) являются основными вредителями хлопчатника в большинстве регионов возделывания культуры.

При выращивании Bt-линий практически отсутствует необходимость в использовании инсектицидов широкого спектра действия (пиретроидов и др.). Тем более, что в популяциях некоторых вредителей появились особи устойчивые к этим агрохимикатам. Впервые ГМ-хлопчатник, обладающий Bt-токсином, был коммерциализирован в США в 1996 г. Новые сорта имели успех среди фермеров, так как позволили им существенно сэкономить на пиретроидных инсектицидах и сохранить высокие урожаи. Подсчитано, что переход на Bt-линии хлопчатника позволил им уменьшить затраты на 38,5 долл. на каждом гектаре, за счет снижения потребности в обработке инсектицидами. Это сопровождается получением дополнительных 41 кг/га хлопковолокна. Итоговый выигрыш от перехода на биотехнологические сорта хлопчатника в США в среднем составляет почти 100 долл./га. Опыт использования Bt-хлопчатника в Австралии показывает, что эта технология снижает потребность в пестицидах на 56%, а в некоторые годы данная цифра достигает 80% и более. По оценкам специалистов, в период 1997–2004 гг. использование устойчивых к насекомым-вредителям линий хлопчатника позволило уменьшить давление на окружающую среду на 64% по сравнению с хозяйствами, где используются сорта традиционной селекции.

Однако Bt не является панацеей. Он практически не защищает растения от имаго жесткокрылых, щитников и тли. Исследования ученых из Корнеллского университета, Центра по сельскохозяйственной политике Китая и Китайской академии наук, проведенные на китайских хлопковых плантациях, показали, что популяции этих групп насекомых, ранее являвшихся вторичными и не причинявшими существенного вреда (в первую очередь слепняки), через семь лет возделывания Bt-линий размножились до того уровня, что растениеводы вынуждены вернутся к прежним объемам использования инсектицидных препаратов. С учетом того, что биотехнологические сорта хлопчатника имеют более высокую цену, итоговая прибыль фермеров может даже снизиться.

С этими выводами не согласна другая группа ученых (из Стенфордского университета, Университета Рутгерта и Китайской академии наук), также проанализировавшая ситуацию, складывающуюся на китайских хлопковых плантациях, где используются Bt-линии. Вторичные вредители, в основном относящиеся к отряду жесткокрылые, размножаются только при создании благоприятных условий (большое количество осадков и повышенные температуры). Это происходит далеко не всегда, поэтому использование Bt-линий остается оправданным как с экономической, так и с экологической точек зрения. В 2012 г. в журнале Nature опубликована еще одна статья китайских ученых, в которой обобщены результаты использования ГМ-хлопчатника в стране. Проведенный анализ показал, что хлопководческая отрасль страны уменьшила использование инсектицидов почти вдвое, при этом значительно увеличилось присутствие на полях божьих коровок, златоглазок и пауков, являющихся естественными хищниками многих вредителей.

Однако Bt-линии подстерегает та же опасность, что и химические пестициды. Уже известны факты появления форм вредителей устойчивых к ним. Чтобы уменьшить риски распространения устойчивых к Bt-токсину насекомых, необходимо ослабить давление отбора на вредителей. С этой целью создаются т.н. рефугиумы – участки полей, засаженные традиционными сортами. Тут мутантные особи, выработавшие устойчивость к Bt, разбавляются за счет размножения остальной части популяции, не получая конкурентных преимуществ. Их размножение сдерживается теми же факторами, что и у исходных форм насекомых.

Вторым методом предупреждения выработки устойчивости к токсину является внедрение в геном нескольких вариантов гена Bt. Риск одновременного возникновения у одной особи устойчивости к двум или трем вариантам токсина значительно ниже. Но не стоит забывать о том, что на других полях используются линии с одним вариантом Bt, в результате чего популяции насекомых могут развить устойчивость к нескольким токсинам пошагово, или приобрести ее в результате скрещивания.

Толерантный к гербицидам хлопчатник

Внедрение в растение гена, позволяющего выживать при обработке полей гербицидом широкого спектра действия, дает в руки растениеводов гибкий инструмент для борьбы с сорняками. Основными разработчиками толерантных к гербицидам линий хлопчатника являются Monsanto (линии Roundup Ready®, Roundup Ready FLEX®) и Bayer CropScience (линия Liberty Link®). Roundup Ready® и Roundup Ready FLEX® совместимы с гербицидом глифосат, а разработка Bayer CropScience предназначена для совместного использования с не менее эффективным препаратом, обладающим иным механизмом действия – глюфосинат аммония.

Доказано, что при использовании линий хлопчатника Roundup Ready, наряду с увеличением объемов обработки полей глифосатом, резко сокращается использование других более агрессивных гербицидов. В итоге, это приводит к снижению нагрузки на окружающую среду. По подсчетам специалистов в условиях Австралии данная нагрузка снизилась в среднем на 15,6%.

 

Масштабы использования ГМ-хлопчатника

Хлопчатник занимает третье место (после сои и кукурузы) по мировым площадям, занимаемым генетически модифицированными сортами. В 2011 г. эти площади составили 24,7 млн. га. ГМ-сорта хлопчатника (устойчивые к насекомым, гербицидам или обоим этим факторам) доминируют и на полях США. В 2009 г. на их долю приходилось 94,8% упланда, посаженного в стране. В Луизиане, Миссисипи, Миссури и Южной Каролине ГМ-хлопчатник составляет практически 100%.

В Китае доля генетически модифицированных сортов хлопчатника составляет 95%, в Индии этот показатель заметно ниже (87%). Кроме того, ГМ-хлопчатник выращивается в Аргентине, Бразилии, Южной Африке, Австралии, Мексике, Колумбии и Буркина Фасо.

Чаще всего фермеры используют толерантные к гербицидам линии (63%), далее следуют линии, в которых объединена устойчивость к насекомым-вредителям и толерантность к гербицидам (22%), использование Bt-сортов составляет около 15%.

Комплексный анализ, проведенный на примере использования ГМ-линий хлопчатника в Австралии, показал, что использование современных биотехнологических достижений позволяет получить положительный экономический и социальный эффект, включая снижение отрицательного воздействия на здоровье населения, связанное с уменьшением использования агрохимикатов и отказом от тяжелого физического труда. Проведенный опрос показал, что австралийские фермеры находят ГМ-линии более выгодными и простыми для выращивания. К аналогичным выводам пришли специалисты, осуществившие крупномасштабный сравнительный анализ экономического состояния индийский хлопководческих хозяйств, использующих ГМ-линии и придерживающихся традиционных сортов. Они показали, что переход на биотехнологические сорта поднял жизненный уровень фермеров (рассчитанный на основании доходов домохозяйств) на 18%.

С учетом того, что хлопчатник может выращиваться только на ограниченной территории, использование биотехнологий для повышения производительности хлопководства и снижения нагрузки на окружающую среду является весьма важной задачей.

Александр Никитин, к. с/х н.