USD -
4.0245
EUR -
4.3225
GBP -
5.0414
DKK -
0.5796
Pestycydy są szkodliwe dla środowiska, a szkodniki upraw stają się na nie oporne. Jak więc walczyć z owadami masowo niszczącymi plony? Naukowcy z USA mają na to odpowiedź. Opracowali metodę modyfikacji genetycznej, która sprawiła, że inwazyjny szkodnik upraw stał się bezpłodny.
Modyfikacja genów zamiast pestycydów
Chemiczne insektycydy mają ograniczoną skuteczność i przyczyniają się do poważnego zanieczyszczenia środowiska. Z tego powodu poszukuje się innych sposobów ochrony upraw przed szkodnikami. Dużą nadzieję budzą nowoczesne technologie GMO (modyfikacji genetycznej organizmów). Wprowadzając zmiany w DNA owadów możemy zmanipulować ich zachowanie, płodność, czy wrażliwość na czynniki środowiska. Dotychczas eksperymenty w tym temacie dotyczyły owadów, które są bezpośrednim zagrożeniem dla zdrowia ludzi, m.in. komarów przenoszących malarię.
Naukowcy z North Carolina State University w Stanach Zjednoczonych wypróbowali niedawno technologię modyfikacji genów u uciążliwego szkodnika upraw. Za cel obrali sobie muszkę owocową z gatunku Drosophila suzuki – nazywa się ją muszką cętkowaną lub plamoskrzydłą. Owad ten pierwotnie był problemem tylko w Azji, ale w ostatnich latach został zawleczony do USA oraz Europy.
W przeciwieństwie od dobrze nam znanych muszek owocowych, muszka cętkowana nie preferuje zepsutych owoców. Interesuje się świeżymi, zdrowymi owocami – masowo pożera truskawki, maliny, jeżyny, porzeczki, jagody, winogrona, wiśnie i śliwki. Okazjonalnie zjada również morele, nektarynki, owoce czarnego bzu, czy nawet pomidory.
Coraz cieplejszy klimat sprzyja temu azjatyckiemu szkodnikowi. Potrafi skutecznie przetrwać zimę i wzrasta w liczebności. Dlatego rolnicy są bardzo zainteresowani pomysłem użycia przeciwko muszkom modyfikacji genów. W USA muszka cętkowana opanowała już wiele upraw i jest bardzo trudna do zwalczenia. Potrafi przykładowo zniszczyć 20-30% plonów malin, nawet po prawidłowym zastosowaniu insektycydów. Poza chemicznymi środkami rolnicy stosować mogą pułapki na owady i siatki chroniące plony, jednak rozwiązania te mają wiele wad i są niezwykle pracochłonne.
Kastracja muszek przez modyfikację
Naukowcy z North Carolina State University opracowali modyfikację genów, która stopniowo prowadzi do spadku liczebności muszek cętkowanych. Może być wykorzystana do wytłumienia, a nawet całkowitego pozbycia się populacji tego uciążliwego szkodnika. Spowodowali zmiany w genie nazywanym doublesex, który jest kluczowy dla rozwoju płciowego muszek. W efekcie samice muszek stały się całkowicie bezpłodne, ponieważ nie były w stanie złożyć jaj. Skuteczność modyfikacji potwierdzono w wielu eksperymentach.
Docelowo, aby zwalczyć szkodnika występującego na wolności, do jego populacji należy wypuścić takie zmodyfikowane muszki z laboratorium, które będą przekazywać zmianę genetyczną na kolejne pokolenia. Liczba płodnych samic występujących w danym regionie będzie stopniowo spadać.
Do modyfikacji genetycznej badacze wykorzystali technologię CRISPR. Metoda CRISPR umożliwia wprowadzanie dokładnych zmian w sekwencji genów w DNA. CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) to rodzaj sekwencji DNA, która występuje naturalnie u bakterii i może zostać wykorzystana jako "nożyczki" do precyzyjnego cięcia DNA. Z DNA muszki wycina się odcinek, a na jego miejsce „wkleja” nowy, zmodyfikowany.
Aby sprawdzić, czy ten zabieg się udał, naukowcy oznaczyli zmieniony fragment DNA za pomocą fluorescencyjnego, czerwonego białka - które dosłownie świeci i ujawnia obecność genu. Dzięki temu mieli pewność, że modyfikację przeprowadzono z sukcesem, a muszki przekazują ją na kolejne pokolenia. Po skrzyżowaniu zmodyfikowanej muszki z „normalną muszką”, zmianę nabywało aż 94-99% potomstwa.
Naukowcy przeprowadzili również przewidywania matematyczne, aby określić, jak skutecznie zmiana genetyczna będzie tłumiła daną populację muszek. Analizy wykazały, że wypuszczenie tylko jednej zmodyfikowanej muchy na każde cztery „dzikie” muchy – te niezmodyfikowane genetycznie – może wprowadzić zmieniony gen do całej populacji w ciągu około ośmiu do dziesięciu pokoleń owadów. Ostatecznie doprowadzi to do całkowitej bezpłodności owadów i wyeliminuje ich populację. Warto zaznaczyć, że muszki rozmnażają się niezwykle szybko.
Kiedy rozwiązanie będzie dostępne dla rolników?
Jak skomentował jeden ze współautorów badania, prof. Max Scott, metody uwalniania genetycznie zmodyfikowanych owadów w celu ograniczenia populacji mogą być drogie, jeśli będą stosowane na dużą skalę. Trzeba to robić wielokrotnie, zanim szkodniki zostaną całkowicie usunięte. Ale uważa, że metoda opracowana przez jego zespół ułatwia bardzo szybkie pojawianie się bezpłodności w kolejnych pokoleniach.
Redukuje to ryzyko uodpornienia się owadów na modyfikację. Zdarza się bowiem, że u zmodyfikowanych zwierząt w którymś pokoleniu pojawia się „szczęśliwa” mutacja w genie, która odwraca zmianę wprowadzoną przez naukowców. Zdaniem prof. Scotta nowy system jest bardzo wydajny i pozwoli uniknąć takich przypadków.
Ważnym etapem badań będą testy terenowe. Jeśli wypuszczone z laboratorium zmodyfikowane muszki okażą się skuteczne, w arsenale technik zwalczania szkodników pojawi się nowa metoda. Rolnicy mający problem z muszką cętkowaną chętnie ją zastosują.
Niestety, nowa technologia jest jeszcze lata od praktycznego zastosowania na dużą skalę. Prof. Scott i jego zespół przeprowadzą jeszcze wiele prób laboratoryjnych, aby sprawdzić, czy ich przewidywania są poprawne, a następnie przejdą przez skomplikowany proces prawny, aby otrzymać zezwolenia na próby terenowe. Warto dodać, że o ile Stany Zjednoczone podchodzą dość liberalnie do stosowania GMO w rolnictwie, to na terenie Unii Europejskiej obecnie praktycznie nie ma takiej możliwości.
Naukowcy muszą również wziąć pod uwagę czynniki, takie jak regionalne zróżnicowanie genetyczne w obrębie tego samego gatunku. Muszki występujące na różnych obszarach mogą mieć nieco inne geny, przez co nowa modyfikacja może u nich nie zadziałać. Będą potrzebować indywidualnego podejścia. Trzeba również sprawdzić, czy wypuszczenie zmodyfikowanych muszek będzie mieć wpływ na inne gatunki owadów i środowisko ogólnie.
Muszka cętkowana Drosophila suzuki.
Źródło: Martin Cooper / CC BY 2.0 / Wikimedia Commons
Modyfikacje genetyczne to przyszłość rolnictwa
Przy wzrastającej liczebności ludzi na świecie, a wraz z nią coraz większego zapotrzebowania na żywność, nie ma co się łudzić, że uprawy da się chronić stosując wyłącznie w pełni naturalne metody zwalczania szkodników. Chemiczne środki ochrony roślin są jednak bardzo szkodliwe dla środowiska, a owady czy chwasty są w stanie nabyć na nie oporność. Nie są więc najlepszym rozwiązaniem.
Modyfikacje genetyczne organizmów mogą pozwolić odejść od pestycydów. Likwidacja całych populacji szkodników jest potrzebna – i przyjazna środowisku – w przypadku inwazyjnych gatunków, obcych dla danego regionu świata. Rodzime szkodniki można nauczyć się kontrolować w nieco mniej destrukcyjny sposób. Możliwości jest wiele, a techniki inżynierii genetycznej stale się rozwijają. Eksperci są zdania, że precyzyjnie dostosowane do szkodników metody genetycznej kontroli będą w przyszłości ważną – jeśli nie najważniejszą - metodą ochrony upraw.
Cytowane badania:
Yadav, A. K., Butler, C., Yamamoto, A., Patil, A. A., Lloyd, A. L., & Scott, M. J. (2023). CRISPR/Cas9-based split homing gene drive targeting doublesex for population suppression of the global fruit pest Drosophila suzukii. Proceedings of the National Academy of Sciences, 120(25), e2301525120.
