Heszky László

Transzgénikus növények - az emberiség diadala vagy félelme?

II. 2. Kukoricamoly-rezisztens GM kukoricahibridek

A növények általában rendelkeznek bizonyos fokú rovarrezisztenciával. A növények természetes védekezési mechanizmusa olyan másodlagos anyagcseretermékek előállítását jelenti, melyek károsak a rovarokra. A hagyományos nemesítés ezt próbálta felhasználni rovarrezisztens növényfajták előállítására, de sajnos megfelelő eredményességet nem tudott felmutatni. Ezért napjainkig a megoldást a kémiai és biológiai rovarölő szerek jelentették.
A géntechnológia bakteriális gének felhasználásával átütő eredményeket ért el az elmúlt 10 évben. Az első sikeres GM rovarrezisztens növényről 1987-ben számoltak be. Az első rovarrezisztens fajták (gyapot, kukorica) - melyekben a Bacillus thüringiensis delta-endotoxin génje (Bt) biztosította a rovarrezisztenciát - 1995-ben kerültek köztermesztésbe az USA-ban. Vetésterületük a világon 2006-ban a kukorica esetében meghaladta a 24 millió hektárt, a rovarrezisztens GM gyapot esetében pedig a 10 millió hektárt.

A kukoricamoly (Ostrinia nubilalis) a tűzmolyok családjába tartozó lepkefaj. A nőstények a címerhányás idején rakják le petéiket. A kikelő lárva a szár bélszövetében járatokat rág, illetve az érő szemeket is megrághatja. A kártétel következménye a szártörés, illetve a csőpenészedés, mely erősen fertőzött területeken jelentős terméscsökkenést okozhat.
A köztermesztésbe Európában a Bacillus thüringiensis delta-endotoxin génre (Bt) alapozott kukoricamoly-rezisztens hibridek (MON 810) kerültek. Ezeket a hibrideket egyes újságírók "gyilkos kukorica" címmel illették. Az állítást az alábbiak cáfolják.

Mit kell tudnunk a Bt-toxinról? A Bacillus thüringiensis egy spóraképző talajbaktérium, mely extrém körülmények által kiváltott spóraképzés során rovarokat károsító kristályos (crystal, Cry) fehérjét (Bt-toxin, delta-endotoxin) termel. A baktériumnak a spóráit és az endotoxinját - mint mikrobiális eredetű rovarölő szert (Dipel) - 1950-es évek óta használják a növényvédelmi technológiákban. A baktériumnak számos törzse van, melyek több mint százféle toxint termelnek. A különböző Cry fehérjékről pedig bebizonyították, hogy különböző fajokra toxikusak.

A géntechnológiai stratégia célja az, hogy a növényt alkalmassá tegyék rá, hogy önmagát megvédje a kukoricamoly lárvájától. Ezt azoknak a Bt-toxinoknak a termeltetésével kívánták elérni, melyek specifikusan a molyokat és a lepkéket pusztítják el.

A Cry1 alcsalád (B. thüringiensis var. kurstaki Berliner törzs) tagjainak endotoxinjai a Lepidoptera (lepkék és molyok) fajokra hatnak. A Cry1 a gének nagy variációs tárházát adják a különböző fajspecifitások molekuláris hátterének, ugyanis a különböző génekről szintetizálódó fehérjék különböző moly- vagy lepkefajra toxikusak. A jelenleg köztermesztésben lévő GM kukoricahibridek a Cry1Ab és a Cry1F fehérjék génjeit tartalmazzák, mely toxinok a kukoricamolyra specifikusak (16. ábra). A konstrukcióban megtalálható még a PAT gén is, mely szelekciós marker génként van jelen, önálló gazdasági értéke is van azonban, mert a glifozinát-hatóanyagú, totális gyomirtószerrel (herbiciddel) szemben biztosít toleranciát. Emellett használatos még a Cry1Ac gén is, mely a kukoricát is károsító gyapottok-bagolylepkére toxikus (17. ábra).

16. ábra

17. ábra

Az ország azon területein, ahol a molyfertőzés előfordul, a kukoricamoly hernyója komoly kártételt okozhat azáltal, hogy végigrágja a kukorica szárát, ami eltörik, s így jelentősen csökken a termést. A transzgénikus hibridekben nincs vagy elenyésző a kártétel, mert a lárvák elpusztulnak, miután a növényt elkezdték fogyasztani. Megválaszolandó kérdés viszont, hogy milyen a hatásmechanizmusa a toxinnak, és az mennyire veszélyes más rovarfajokra, esetleg az elpusztult hernyókat elfogyasztó rovarokra vagy madarakra? (animáció)

Animáció: A Bt-toxin hatásmechanizmusa

A Bt-toxin hatásmechanizmusa röviden a következő. Miután a rovar a GM növény levelével együtt elfogyasztotta a levélsejtek által termelt toxint is, a Cry fehérjét a középbélben lévő lúgos pH, valamint a proteázok aktiválják. E folyamat során a fehérje (pl. Cry1A 130 kDa) NH2 terminális feléből egy rovarölő hatású aktív fragmentum (65-70 kDa) keletkezik. A rovarfaj egyedeinek érzékenységét a Bt-toxinra az dönti el, hogy az aktív forma hozzá tud-e kapcsolódni a középbél (epitél) hámsejtjeinek receptorához vagy sem.

• A sikeres kapcsolódást követően, jelen esetben a kukoricamoly lárvái esetében, a Bt- toxin bejut a sejtmembránba, azon pórusok keletkeznek, majd a hámsejtek lizálnak, amit a bélsejtek elhalása követ, visszafordíthatatlan károkat okozva a középbél falában. Miután leáll a perisztaltika, a lárvák elpusztulnak.
• Amennyiben a Bt-toxin nem tud az adott rovarfaj egyedeinek bélhámsejt-receptorához kapcsolódni, a fehérjének (toxinnak) semmiféle hatása sem lesz a lárvákra vagy imágókra, azok minden probléma nélkül fogyaszthatják a GM kukoricát és szaporodhatnak a GM növényállományban.
• A Bt-toxinok elméletileg a megcélzott fajon vagy fajokon kívül más rovarokra, melegvérű állatokra nem toxikusak. Tehát a Bt-toxin által elpusztított rovarokat fogyasztó más rovarok, madarak, emlősök stb. sem veszélyeztetettek. Természetesen ezt kísérletesen is bizonyítani szükséges.

A Cry1AB és a Cry1F gének által kódolt kristályos fehérje csak néhány fajra toxikus. A köztermesztésbe kerülés előtt azonban a fajtatulajdonosnak bizonyítania kell, hogy a kukorica-rovarpopuláción belül mely fajokat károsítja és mely fajokra nincs hatással. Részben hazai kísérletekre alapozva állítható, hogy a jelenlegi GM hibridekben termelődő toxin nem károsítja a kukorica csúcsragadozóit jelentő pókfajokat, illetve a madarakat.

Az eredeti (vad típusú) Bt-toxint termelő GM kukoricahibridekben a '90-es években a rezisztencia mértéke még nem volt megfelelő. Ennek magyarázata, hogy az aktív toxin (614 aminosav) a rovarok bélcsatornájában az aktiválás során proteolízissel az eredeti fehérje (1155 aminosav) amino-terminális feléből keletkezik. Ezért a gént is megrövidítették. A megcsonkított génnel, mely már csak az eredeti fehérje amino-terminális felének kódját tartalmazza, jobb expressziót és rovarölő hatást lehetett elérni.

A géncsonkítás sem bizonyult elegendőnek a B. thüringiensis var. kurstaki Berliner törzs Cry1Ab génje esetében a szántóföldi kísérletekben. Ezért a gént szintetikusan is módosították, ami kiterjedt a gén kodon-optimalizációjára. Ez azt jelentette, hogy az eredeti baktériumból származó gén 37 %-os guanin-citozin (G+C) tartalmát a növényi génekre jellemző szintre, 49-65 %-ra növelték.

A megcsonkított és kodon-optimalizált (szintetikus) gént tartalmazó kukoricahibridek sejtjei 10-100-szoros mennyiségben termelték a toxint, mely mennyiség a kukoricamoly első generációs lárváinak 97-99,8 %-át elpusztította. Ezzel az eredménnyel a GM hibridek valóban rezisztensekké váltak a kukoricamollyal szemben. A GM hibridekben a moly kártétele elhanyagolható szintre csökkent, ami megnyitotta az utat a széleskörű gyakorlati alkalmazás előtt.