Генетски модифицирани култури

Генетски модифицирани култури (ГМ култури) се растенија кои се користат во земјоделството, чија ДНК е модифицирана со помош на методи на генетски инженеринг. Растителните геноми можат да се конструираат со физички методи или со употреба на Agrobacterium за испорака на секвенци кои биле сместени во Т-ДНК бинарни вектори. Во повеќето случаи, целта била да се воведе нова карактеристика на растението што природно не се јавувала кај видот. Примерите во прехранбените култури вклучуваат отпорност на одредени штетници, болести, услови на животната средина, намалување на расипувањето, отпорност на хемиски третмани (на пр. отпорност на хербицид) или подобрување на профилот на хранливи материи на културата. Примерите за непрехранбените култури вклучуваат производство на фармацевтски агенси, биогорива и други индустриски корисни добра, како и за биоремедијација.
Земјоделците нашироко ја прифатиле ГМ технологијата. Површината на која се одгледувале вакви култури се зголемиле од 1,7 милиони хектари во 1996 година на 185,1 милиони хектари во 2016 година, што било околу 12% од светското земјоделско земјиште. Од 2016 година, главните карактеристики на културите (соја, пченка, канола и памук) се состоеле од толеранција на хербициди (95,9 милиони хектари) отпорност на инсекти (25,2 милиони хектари) или двете (58,5 милиони хектари). Во 2015 година, 53,6 милиони хектари генетски изменета пченка биле со насади од оваа култура (речиси 1/3 од културата на пченка). ГМ пченката ги надминала своите претходници: нејзиниот принос бил за 5,6 до 24,5% повисок со помалку микотоксини (-28,8%), фумонизин (-30,6%) и трикотекен (-36,5%). Нецелните организми биле незасегнати, освен за пониските популации, некои паразитоидни оси поради намалената популација на нивниот штетник-домаќин европски пченкарник; Европската пченка била мета на ''пеперуги''. Биогеохемиските параметри како што била содржината на лигнин не варирале, додека распаѓањето на биомасата било поголемо.
Мета-анализата од 2014 година заклучила дека усвојувањето на ГМ технологијата ја намалило употребата на хемиски пестициди за 37%, а ги зголемило приносите на земјоделските култури за 22% и исто така ги зголемило профитите на земјоделците за 68%. Ова намалување на употребата на пестициди е еколошки доста корисно, но придобивките можат да бидат намалени со прекумерна употреба. Добивките на приносот и намалувањето на пестицидите се поголеми за култури отпорни на инсекти отколку за култури толерантни на хербициди. Приносите и добивките биле повисоки во земјите во развој отколку во развиените земји. Труењата со пестициди биле намалени за 2,4 до 9 милиони случаи годишно само во Индија. Прегледот од 2011 година на врската помеѓу изнајмување на земја и самоубиствата на земјоделците во Индија покажал дека „Достапните податоци не покажуваат докази зa зголемување на самоубиства на фармери“ и дека „технологијата на памук е многу ефикасна во целост во Индија“. За време на периодот на воведувањето на памукот Bt во Индија, самоубиствата на земјоделците наместо тоа се намалиле за 25%.
Постои научен консензус дека моментално достапната храна која била добиена од ГМ култури не претставува поголем ризик за здравјето на луѓето од конвенционалната храна, но дека секоја ГМ храна треба да се тестира од случај до случај пред воведувањето. Сепак, членовите на јавноста имаат многу помала веројатност од научниците да ја сфатат ГМ храната како безбедна. Правниот и регулаторниот статус на ГМ храната варира во зависност од земјата, при што некои нации ги забрануваат или ограничуваат, а други ги дозволуваат со многу различни степени на регулација.
1 Историја
Луѓето директно влијаеле на генетскиот состав на растенијата за да можеле да ја зголемат нивната вредност како култура преку припитомување. Првиот доказ за припитомување на растенијата потекнувал од пченицата од емер и еинкорн што бил пронајдена во селата од пред-грнчарскиот неолитски А во Југозападна Азија, што датирале околу 10.500 до 10.100 п.н.е. Плодната Полумесечина на Западна Азија, Египет и Индија биле места на најрано планирано сеење и берба на растенија кои претходно биле собрани во дивината. Независен развој на земјоделството се случил во северна и јужна Кина, африкански Сахел, Нова Гвинеја и неколку региони на Америка. Осумте неолитски основоположни култури (емерна пченица, пченица еинкорн, јачмен, грашок, леќа, горчлив венец, наут и лен) тие се појавиле околу 7.000 п.н.е. Традиционалните одгледувачи на култури долго време вовеле странска герминација во културите со создавање на нови крстови. Хибридно зрно од житни култури било создадено во 1875 година, со вкрстување на пченица и 'рж. Оттогаш на тој начин биле воведени карактеристики, вклучувајќи џуџести гени и отпорност на 'рѓа. Културата на растително ткиво и намерните мутации им овозможиле на луѓето да го променат составот на геномите на растенијата.
Современиот напредок во генетиката им овозможил на луѓето подиректно да ја менуваат генетиката на растенијата. Во 1970 година, лабораторијата на Хамилтон Смит открила рестриктивни ензими кои овозможувале сечење на ДНК на одредени места, овозможувајќи им на научниците да изолираат гени од геномот на организмот. ДНК-лигазите кои ја спојувале скршената ДНК биле откриени порано во 1967 година, и со комбинирање на двете технологии, биле можно да се „отсечат и залепат“ ДНК секвенци и да се создаде рекомбинантна ДНК. Плазмидите, што биле откриени во 1952 година, станале важни алатки за пренос на информации помеѓу клетките и реплицирање на ДНК секвенци. Во 1907 година била откриена бактерија која предизвикувала растителни тумори, ''Agrobacterium tumefaciens'', а во раните 1970-ти било откриено дека агентот што предизвикувал тумор бил ДНК плазмид наречен Ti плазмид. Со отстранувањето на гените во плазмидот што го предизвикале туморот и додавањето нови гени, истражувачите можеле да ги инфицираат растенијата со ''A. tumefaciens'' и да ги остават бактериите да ја вметнат својата избрана ДНК секвенца во геномите на растенијата. Бидејќи сите растителни клетки не биле подложни на инфекција со ''A. tumefaciens'', биле развиени други методи, вклучувајќи електропорација, микро-инјектирање и бомбардирање со честички со генски пиштол (измислен во 1987 година). Во 1980-тите биле развиени техники за воведување на изолирани хлоропласти назад во растителна клетка на која бил отстранет клеточниот ѕид. Со воведувањето на генскиот пиштол во 1987 година станало возможно да се интегрираат туѓи гени во хлоропластот. Генетската трансформација станала многу ефикасна кај некои моделски организми. Во 2008 година во ''Arabidopsis thaliana'' биле произведени генетски модифицирани семиња со потопување на цветовите во раствор на ''Agrobacterium''. Во 2013 година CRISPR за прв пат бил искористен за целна модификација на геномите на растенијата.
Првото растение со генетски инженеринг бил тутунот, било објавено во 1983 година Развиен бил создавајќи химеричен ген кој спојувал ген отпорен на антибиотици на плазмидот Т1 од ''Агробактериум''. Тутунот бил инфициран со ''Agrobacterium'' трансформиран со овој плазмид, што резултирало со вметнување на химеричен ген во растението. Преку техники на ткивна култура била избрана една тутунска клетка која го содржела генот и ново растение растено од него. Првите теренски испитувања на генетски конструирани растенија се случиле во Франција и САД во 1986 година, растенијата за тутун биле дизајнирани да бидат отпорни на хербициди. Во 1987 година, Plant Genetic Systems, основана од Марк Ван Монтагу и Џеф Шел, била првата компанија која генетски инженерирала растенија кои биле отпорни на инсекти со инкорпорирање на гени кои произведувале инсектицидни протеини од Bacillus thuringiensis (Bt) во тутунот. Народна Република Кина била првата земја што ги комерцијализирала трансгенските растенија, воведувајќи тутун кој бил отпорен на вируси во 1992 година Во 1994 година,Calgene добил одобрение за комерцијално ослободување на доматот Flavr Savr, домат дизајниран да има подолг рок на траење. Исто така, во 1994 година, Европската унија одобрила тутун произведен да биде отпорен на хербицидот бромоксинил, што го правела првата генетски инженерска култура комерцијализирана во Европа. Во 1995 година, Bt Potato бил одобрен безбеден од Агенцијата за заштита на животната средина, откако бил одобрен од FDA, со што бил првата култура за производство на пестициди што била одобрена во САД. Во 1996 година биле доделени вкупно 35 одобренија за комерцијално одгледување на 8 трансгенски култури и една цветна култура (каранфил), со 8 различни особини во 6 земји плус ЕУ. До 2010 година, 29 земји засадиле комерцијализирани генетски модифицирани култури, а уште 31 земја дадале регулаторно одобрение за увоз на трансгенски култури.
Првото генетски модифицирано животно кое било комерцијализирано било GloFish, риба зебра со додаден флуоресцентен ген кој и овозможувал да свети во темница под ултравиолетова светлина. Првото генетски модифицирано животно кое било одобрено за употреба во храна бил лососот AquAdvantage во 2015 година Лососот бил трансформиран со ген за регулирање на хормонот за раст од лосос од Пацифик Чинук и промотор од океански лосос што му овозможувал да расте во текот на целата година наместо само во текот на пролетта и летото.
ГМ банана сортата QCAV-4 била одобрена од Австралија и Нов Зеланд во 2024 година. Бананата се спротивставувала на габата која е фатална за бананата Кевендиш, доминантната сорта.
2 Методи
На генетски инженерските култури им биле додадени или отстранети гени со помош на техники на генетски инженеринг, првично вклучувајќи генски пиштоли, електропорација, микроинјекција и агробактерија. Во поново време, CRISPR и TALEN понудиле многу попрецизни и поудобни техники за уредување.
Генските пиштоли (исто така биле познати како биолистика) „пукаат“ (насочуваат честички со висока енергија или зрачење против) насочувале гени во растителните клетки. Тоа бил најчестиот метод. ДНК била врзана за ситни честички од злато или волфрам кои последователно се застрелани во растително ткиво или единечни растителни клетки под висок притисок. Забрзаните честички продирале и во клеточниот ѕид и во мембраните. ДНК се одвојувала од металот и се интегрирала во растителна ДНК внатре во јадрото. Овој метод бил успешно применет за многу култивирани култури, особено монокотиледоните како пченица или пченка, за кои трансформацијата со помош на ''Agrobacterium tumefaciens'' била помалку успешна. Главниот недостаток на оваа процедура бил тоа што може да се направи сериозно оштетување на клеточното ткиво.
''Agrobacterium tumefaciens-''посредувана трансформација е уште една вообичаена техника. Агробактериите се природни растителни паразити. Нивната природна способност да пренесуваат гени обезбедувала уште еден инженерски метод. За да создадат соодветна средина за себе, овие агробактерии ги вметнувале своите гени во растителните домаќини, што резултирало со пролиферација на модифицирани растителни клетки во близина на нивото на почвата (крунска жолчка). Генетските информации за растот на туморот биле кодирани на мобилен, кружен ДНК фрагмент (плазмид). Кога ''Agrobacterium'' инфицира растение, таа ја пренесува оваа Т-ДНК на случајна локација во геномот на растението. Кога се користи во генетскиот инженеринг, бактериската Т-ДНК се отстранува од бактерискиот плазмид и се заменува со саканиот странски ген. Бактеријата е вектор, кој овозможува транспорт на туѓи гени во растенијата. Овој метод особено добро функционирал за дикотиледони растенија како компири, домати и тутун. Инфекцијата со агробактерии била помалку успешна кај културите како пченица и пченка.
Електропорацијата се користи кога растителното ткиво не содржи клеточни ѕидови. Во оваа техника, „ДНК влегувале во растителните клетки преку минијатурни пори кои биле привремено предизвикани од електрични импулси“.
Микроинјекцијата се користи за директно инјектирање на туѓа ДНК во клетките.
Научниците за растенија, поткрепени со резултатите од модерното сеопфатно профилирање на составот на културите, посочуваат дека културите модифицирани со помош на ГМ техники имале помала веројатност да имаат ненамерни промени отколку конвенционално одгледуваните култури.
Во истражувањето, тутунот и ''Arabidopsis thaliana'' биле најчесто модифицирани растенија, поради добро развиените методи на трансформација, лесното размножување и добро проучените геноми. Тие служеле како модел организми за други растителни видови.
Воведувањето нови гени во растенијата барало промотор кој ќе биде специфичен за областа каде што генот треба да се изрази. На пример, за да се изрази ген само во зрната ориз, а не во лисјата, се користело промотор специфичен за ендоспермата. Кодоните на генот мора да бидат оптимизирани за организмот поради пристрасност кон употребата на кодон.
3 Видови модификации
3.1 Трансгенски
Трансгенските растенија имаат вметнати гени во нив кои се добиени од друг вид. Вметнатите гени може да потекнуваат од видови во истото царство (растение до растение), или помеѓу кралства (на пример, бактерии до растение). Во многу случаи, внесената ДНК требало малку да се модифицира за да биде правилно и ефикасно изразена во организмот домаќин. Трансгенските растенија се користат за изразување на протеини, како што се токсините од плачот од ''B. thuringiensis'', гени отпорни на хербициди, антитела и антигени за вакцинација. Студијата која била предводена од Европската управа за безбедност на храната (ЕФСА), исто така, открила вирусни гени во трансгенските растенија.
Трансгеничните моркови биле користени за производство на лекот Талиглуцераза алфа, кој се користел за лекување на болеста Гоше. Во лабораторија, трансгенските растенија биле модифицирани за да се зголеми фотосинтезата (во моментов околу 2% кај повеќето растенија наспроти теоретскиот потенцијал од 9-10%). Ова било можно со промена на ензимот рубиско (т.е. менување на растенијата C3 во растенија C4), со ставањето на рубиско во карбоксизом, со додавање на CO2 пумпи во клеточниот ѕид, или со промена на формата на листот или големина. Растенијата биле дизајнирани да покажуваат биолуминисценција што можело да стане одржлива алтернатива на електричното осветлување.
3.2 Цисгенски
Цисгенските растенија се направени со помош на гени кои биле пронајдени во ист вид или тесно сродни, каде што можело да се случи конвенционално одгледување растенија. Некои одгледувачи и научници тврделе дека цисгенската модификација била корисна за растенија кои тешко се вкрстувале со конвенционални средства (како што се компирите) и дека растенијата во категоријата цисгени не требало да бараат исто регулаторно испитување како трансгените.
3.3 Субгенски
Генетски модифицираните растенија, исто така, можеле да се развијат со користење на генски нокаут или генски нокаут за да се променел генетскиот состав на растението без да се инкорпорираат гени од други растенија. Во 2014 година, кинескиот истражувач Гао Каисија поднел патенти за создавање на вид пченица што била отпорна на прашкаста мувла. На сојот му недостасувале гени кои кодирале протеини кои ја потиснувале одбраната од мувла. Истражувачите ги избришале сите три копии од гените од хексаплоидниот геном на пченицата. Гао ги користел алатките за уредување на гени TALEN и CRISPR без додавање или менување други гени. Веднаш не биле планирани теренски испитувања. Техниката CRISPR била користена и од истражувачот од Пен Стејт, Јинонг Јанг за да ги модифицирал печурките со бели копчиња (''Agaricus bisporus'') за да не се кафеави, и од DuPont Pioneer за да направи нова сорта пченка.
4 Економија
Откажувањето од овие придобивки било скапо. Веселер ''и сор.'' 2017 година ја процениле цената на доцнењето за неколку култури, вклучително ГМ банана во Уганда, ГМ грашок во западна Африка и ГМ пченка/пченка во Кенија. Тие проценувале дека само Нигерија губи 33-46 милиони долари годишно. Потенцијалните и наводните штети од ГМ културите морало да се споредат со овие трошоци за доцнење.
5 Принос
Во 2014 година, најголемиот преглед досега заклучил дека ефектите на ГМ културите врз земјоделството биле позитивни. Мета-анализата ги разгледала сите објавени испитувања на англиски јазик за агрономските и економските влијанија помеѓу 1995 и март 2014 година за три главни ГМ култури: соја, пченка и памук. Студијата покажала дека културите толерантни на хербициди имале пониски производствени трошоци, додека за културите отпорни на инсекти намалената употреба на пестициди била компензирана со повисоки цени на семињата, оставајќи ги вкупните трошоци за производство приближно исти.
Приносите биле зголемени за 9% за толеранција на хербициди и 25% за сорти отпорни на инсекти. Земјоделците кои примиле ГМ култури оствариле 69% поголем профит од оние кои не го прифатиле. Прегледот покажал дека ГМ културите им помагале на земјоделците во земјите во развој, со тоа што ги зголемиле приносите за 14 процентни поени.
Истражувачите разгледале некои студии кои не биле рецензирани од колеги и неколку кои не пријавиле големини на примероци. Тие се обиделе да ја поправат пристрасноста за објавување, со разгледување на извори надвор од академските списанија. Големиот сет на податоци и овозможил на студијата да контролира потенцијално збунувачки променливи како што била употребата на ѓубрива. Одделно, тие заклучиле дека изворот на финансирање не влијаел на резултатите од студијата.
Под посебни услови наменети за откривање само генетски фактори на принос, познато било дека многу ГМ култури имале ''пониски'' приноси. Ова различно се должело на едното или двете од: Повлекување на приносот, каде што самата карактеристика го намалувала приносот, или со натпреварување за суровина за синтеза или со тоа што била малку неточно вметната во средината на генот релевантен за приносот; и/или задоцнување при принос, каде што било потребно извесно време за да се размножи најновата генетика на принос во линиите на ГМ. Сепак, ова не ги одразувало реалните услови на теренот, особено испуштајќи го притисокот од штетници, кој често е поентата на карактеристиката на ГМ. Видете на пример Подготвен преглед § Приговори за продуктивност.
Уредувањето на гените, исто така, можело да ги зголеми приносите кои не биле специфични за употребата на какви било биоциди/пестициди. Во март 2022 година, резултатите од теренските тестови покажале дека генот кој бил заснован на CRISPR нокаутот на KRN2 кај пченката и OsKRN2 во оризот го зголемил приносот на зрната за ~10% и ~8% без откриени негативни ефекти.
6 Карактеристики
ГМ културите што се одгледуваат денес или се во развој, биле модифицирани со различни особини. Овие карактеристики вклучувале подобрен рок на траење, отпорност на болести, отпорност на стрес, отпорност на хербициди, отпорност на штетници, производство на корисни добра како биогориво или лекови и способност за апсорпција на токсини и за употреба во биоремедијација на загадувањето.
Неодамна, истражувањето и развојот биле насочени кон подобрување на земјоделските култури кои биле локално важни во земјите во развој, како што бил грашокот отпорен на инсекти за Африка и брињал отпорен на инсекти (патлиџан).