Трансгенные культуры: Несколько токсинов — не панацея в борьбе с вредителями

Новое исследование под руководством учёных из Университета Аризоны (UA) показывает, что стратегии задержки развития устойчивости насекомых к трансгенным культурам часто основаны на излишне оптимистичных допущениях. Результаты, опубликованные в журнале Nature Biotechnology, могут улучшить практику управления существующими биотехнологическими культурами и способствовать разработке новых, более эффективных и долговечных сортов.

С 1996 года во всём мире было засеяно более миллиарда акров культур, генетически модифицированных для производства белков бактерии Bacillus thuringiensis (Bt) против насекомых-вредителей. В ответ на быстрое развитие устойчивости у некоторых вредителей к Bt-культурам, производящим один токсин, биотехнологические компании с 2003 года внедрили «пирамидальные» Bt-культуры, производящие два или более Bt-токсина, активных против одного и того же вредителя. Такие пирамиды приняты во многих странах, включая США, Индию и Австралию.

Чтобы оценить потенциал пирамид для задержки эволюции устойчивости, ведущий автор статьи Ив Карьер и соавтор Брюс Табашник (оба из Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни UA) проанализировали данные 38 исследований, сообщающих о воздействии 10 Bt-токсинов, используемых в трансгенных культурах, на 15 видов насекомых-вредителей. Они обнаружили, что во многих случаях фактическая эффективность культур не соответствовала ожиданиям, заложенным в компьютерные модели, прогнозирующие эволюцию устойчивости. Следовательно, модели могут недооценивать скорость адаптации вредителей и приводить к неадекватным рекомендациям по управлению.

Как работают пирамиды: аналогия с ключами и замками

«Идею Bt-пирамид можно объяснить аналогией с замком и ключом», — говорит Брюс Табашник. «Замок на двери — это рецепторный белок в кишечнике насекомого, а ключ — это Bt-токсин, который связывается с этим рецептором. Чтобы убить насекомое, токсин должен подойти к замку, чтобы открыть дверь и попасть внутрь.

Если у вас только один ключ (один токсин), а мутация изменила замок (рецептор), токсин не может открыть дверь. Насекомое устойчиво и выживает. Теперь представьте, что у вас два ключа: один для входной двери, а другой — для задней. Допустим, вы пытаетесь попасть через входную дверь, но ключ не работает, потому что замок изменился. Ваш второй ключ позволит вам попасть внутрь через заднюю дверь, при условии, что и этот замок не изменился. Так работают пирамиды. Это как иметь два разных ключа, поэтому насекомому нужны две разные мутации, чтобы стать устойчивым».

Однако, как показало новое исследование, этот идеальный сценарий часто не достигается в реальном мире. В другом крайнем случае две токсина в пирамиде могут связываться с одним и тем же рецептором. «В этом сценарии ключи настолько похожи, что каждый открывает только входную дверь, и если этот замок изменён, вам не повезло», — поясняет Табашник.

Реальность: между идеалом и провалом

Авторы обнаружили, что реальность часто находится где-то посередине. «Если каждый токсин высокоэффективен сам по себе и два токсина действуют независимо, пирамида должна убивать не менее 99,75% восприимчивых к Bt вредителей, — объясняет Ив Карьер. — Другими словами, должно выживать менее трёх из каждой тысячи восприимчивых насекомых».

Изучив научную литературу, Карьер и Табашник обнаружили, что это допущение выполнялось только примерно в половине случаев. Они также обнаружили, что, вопреки идеальному сценарию, отбор на устойчивость к одному токсину в пирамиде часто вызывает перекрёстную устойчивость к другому токсину в той же пирамиде.

На пути к лучшим пирамидам: роль доменов токсина

Нил Крикмор из Университета Сассекса, эксперт по структуре и функции Bt-токсинов, проанализировал сходство токсинов в каждой из их трёх составных частей — доменов. В соответствии с предыдущими биохимическими работами, показавшими, что средний домен токсинов играет ключевую роль в связывании с рецепторами, новое исследование демонстрирует, что перекрёстная устойчивость между токсинами связана со сходством их аминокислотных последовательностей в этом домене. Результаты также указывают, что сходство аминокислотных последовательностей в другом домене влияет на смертность восприимчивых насекомых на пирамидах.

«Мы определили конкретные домены, участвующие в проявлении признаков, управляющих эволюцией устойчивости к пирамидам, и предлагаем комбинировать токсины с разным аминокислотным сходством в этих доменах для создания более эффективных и долговечных пирамид, — говорит Карьер. — С доступными технологиями теперь можно менять домены местами и создавать каждый Bt-токсин с желаемой конфигурацией доменов».

Последствия для стратегии рефугиумов

«Наши результаты означают, что ключи (токсины), используемые в Bt-культурах по всему миру, часто не так сильно отличаются друг от друга, как хотелось бы, — говорит Табашник. — А это, в свою очередь, имеет огромное значение для агентств, устанавливающих стандарты на размер высаживаемых рефугиумов».

Стратегия рефугиумов — основной подход к задержке развития устойчивости в США и других странах. Она основана на идее, что рефугиумы (участки с растениями-хозяевами без Bt, расположенные рядом или внутри полей Bt-культур) производят восприимчивых вредителей, которые спариваются с редкими устойчивыми особями, выжившими на Bt-культурах. В Аризоне эта стратегия блестяще сработала против розового коробочного червя, который столетие опустошал хлопковые поля, а теперь стал редок. В Индии, где фермеры не высаживали рефугиумы, розовый коробочный червь быстро развил устойчивость к Bt-хлопчатнику.

Данные этого исследования могут помочь моделлерам точнее прогнозировать эффективность конкретных пирамидальных Bt-культур, а политикам — более реалистично определять стратегии рефугиумов.

«Мы даём реалистичную оценку того, какие Bt-токсины соответствуют допущению о двух ключах и хорошо работают вместе, позволяя фермерам использовать небольшие рефугиумы, — заключает Табашник, — а какие ближе к сценарию с одним ключом, где требуются большие рефугиумы, иначе возникнут проблемы».