Transcript 4.4 GMO ypatumai miškų ūkyje

4.4. Genetinės modifikacijos taikymo
miškų ūkyje ypatumai
GMO testavimas
Testavimui reikia laiko prieš naudojant genetiškai modifikuotus medžius
komerciniu mastu:
•Žemės ūkyje GMO testuojami kelių rotacijų metu.
•Kaip su miško medžiais? Ar genas bus išreikštas? Kaip įtakos kitus požymius? Ar
naujai įterptas genas bus išreikštas vėlesniame amžiuje?
•Pušis ir eglė – testavimas truktų bent 20 metų. Tai gana nemažos laiko ir kaštų
investicijos.
•GM sukelia esminius tikslinio požymio pokyčius, kurie
yra drastiškesni nei klasikinėje selekcijoje, bandant
pakeisti genų dažnius. Todėl GMM išbandymas turėtų
būti ilgesnis.
•Ryšiai tarp požymių, įvertintų laboratorinėje ir lauko
aplinkose dažnai būna silpni: reikalingas ilgesnis
testavimas.
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
GMO plačiai naudojami žemės ūkyje
Komerciniais tikslais naudojamų GMO naudmenų plotas (FAO
2001).
Metai
Šalių sk. Plotas,
GMO naudojimas
didėja:
Atsparumas
kenkėjams
Specialios
technologijos (pvz.
antisens)
1996
1997
1998
1999
2000
2001
6
9
12
13
13
mln. ha
2
11
28
40
44
53
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
GM požymiai žemės ūkyje
•Daugumas “augimo” (adaptacinių, produktyvumo ir kokybės) požymių
yra poligeniniai, o vieno geno GM neturės įtakos.
•Todėl modifikuojami nedaugelio genų įtakoje esantys požymiai
•Pagrindinai GM žemės ūkyje: rezistentiškumas herbicidams ir kenkėjams
(apie 41.5 mln ha komercinių GMO kultūrų).
•Kultūrų rezistentiškumas herbicidams leidžia efektyviai šalinti piktžoles
paliekant kultūrinius augalus gyvus.
•Bacillus thuringiensis (Bt)
bakterijos turimas genas
produkuoja baltymą, kuris
yra nuodingas kenkėjams.
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
GM žemės ūkio kultūrų procentinis
pasiskirstymas ir tendencijos
•
•
•
•
•
•
63 % soja
19 % kukurūzai
13 % medvilnė
5 % kanola
<1 % kiti
Tik keli požymiai, tik keturios
rūšys, tik keturios šalys.
Krintantis GMO domėjimasis
Europoje.
Šiuo momentu GMO atneša
naudą gamintojui, bet ne
vartotojui.
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
Miško medžių genetinė modifikacija: tyrimai
•Dabartiniu metu pasaulyje yra virš 210 bandymų su
GMM, 16 šalių (pagrinde JAV).
•Dažniausiai tiriamos 4 gentys: Populus (51%), Pinus
(23%), Liquidambar (11%), Eucalyptus (7%).
•Pusė GMM tyrimų skirti metodų kūrimui (genų
stabilumas, ekspresija) ar fundamentaliems klausimams.
•Kita pusė tyrimų: (a) tolerancija herbicidams (13%), (b)
tolerancija kenkėjams (12%), (c), cheminės medienos
savybės (9%), (d) reprodukciniai požymiai (6%)
Šaltinis: FAO.2004. Preleminary rewiev of biotechnology in forestry including genetic
modification. Working paper FRG/59E, FAO, Rome, Italy.
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
Žemės ūkio GMO pasiekimų taikymas miškų
ūkyje?
•Testuojant santykinai trumpai ir nedideliuose bandymuose, ekologinės GM
pasekmės gali likti nepastebėtos
• Atsparumas herbicidams turi ribotą panaudojimą miškų ūkyje.
•Vienintelė realizuota - nauda atsparumas kenkėjams, lignino kiekio
ląstelėse ir žiedinių struktūrų modifikacija.
Pušies sėjinukai bandomi klimatinėje kameroje
(GM sėjinukai atsparūs spyglių ligai (kairėje).
GM sterilūs beržai, bandomi lauko sąlygomis Suomijoje
(matyti tik apsauginiai vamzdeliai).
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
Miško medžių genetinė modifikacija:
naudojimas
•Komerciniu mastu GMM naudojami tik Kinijoje: Populus
hibridai (P. alba x tomentosa) ir Populus nigra, kuriuose
buvo įterptas modifikuotas Bt genas, koduojantis
kenkėjams nuodingą baltymą
•Šių modifikuotų medžių naudojimo apimtys: 300-500 ha
(2002 m.)
•Atlikti dviejų pakopų lauko išbandymai ir gauti visi
teisiniai leidimai, reikalingi Kinijoje.
Šaltinis: FAO.2004. Preleminary rewiev of biotechnology in forestry including genetic
modification. Working paper FRG/59E, FAO, Rome, Italy.
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
Svarbu integruoti tradicinių miško medžių genetinių
tyrimų rezultatus į GMM tyrimus
•Pastaruoju metu nemaža dalis miško medžių genetinių tyrimų
finansavimo yra nukreipta GMM ir su jais susijusiems
biotechnologijos tyrimams.
•Ženkliai sumažėjo kitų miško medžių genetikos sričių, kurios
yra naudingos miškų ūkiui, finansavimas.
•Miško medžių biotechnologiniai projektai per daug
sukoncentruoti į metodų vystymą ir praranda sąsajas su
nemaža miško medžių tyrimų patirtimi.
•Fenning early 2002
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
GMO naudojimas: problemos
• Iš kelių transformuotų ląstelių reikia
išauginti medelį ar keletą medelių.
• Transformuotus genotipus reikia padauginti
vegetatyviniu būdu iki komerciniu mastu
priimto donorinių genotipų skaičiaus.
• Komerciniu mastu donorinius genotipus
reikėtų dauginti vegetatyviniu būdu
ekonomiškai efektyviais metodais.
• Nepageidaujami GMM gali pasklisti per
žiedadulkes
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
GMM dauginimas po transformacijos
• Naudojama organogenezė ar somatinė gemalų genezė:
gaunama apie 10 medelių.
• Šie 10 medelių testuojami- ar bus išreikšti įterpti genai?
• Produkuojamas didesnis skaičius donorinių genotipų:
galimi paprasti augūnų šaknydinimo metodai.
• Komercinis naudojimas: masinis dauginimasefektyviausia vegetatyvinis: organogenezė, somatinė
gemalų genezė, augūnai (rooted cuttings),
• Šių metodų kombinacija priklauso nuo rūšies
vegetatyvinio dauginimo ypatumų: pagrinde spygliuočiai
– lapuočiai.
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
Įprastinė miškininkystė
• Selekcija = pranašūs genotipai
• Sėklinė plantacija/medynas=
sėklos
• Medelynas = sodmenys
• Želdymas – ilgos apyvartos
ūkiniai miškai (pakankama
rūšies genetinė įvairovė,
gamtai artimas išdėstymas,
rūšių mišiniai)
• Medynų priežiūra (retinimų
sistema, sanitarinė priežiūra)
• Galimas natūralus atkūrimas
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
GMM miškininkystė
• Selekcija = pranašūs genotipai,
genai ir GMM sukūrimas
• GMM mikrodauginimas
laboratorijoje ir = donoriniai
klonai.
• Medelynas ir vegetatyvinis
dauginimas = sodmenys
• Želdymas – trumpos apyvartos
ūkiniai miškai (nedidelė rūšies
genetinė įvairovė, ūkiniu požiūriu
patogus sistematinis medžių
išdėstymas)
• Medynų priežiūra (sanitarinė
priežiūra)
• Negalimas natūralus atkūrimas.
Laboratorija
Augūnai
Donorai
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
Esminis skirtumas- GMM auginimas trumpos
rotacijos želdiniuose
•Įprastinės
miškininkystės
priemonės
Retinimas
Sodinimas
Kirtimas
Sodinimas
Kirtimas
Sodinimas
Kirtimas
Kirtimas
Sodinimas
•GMM
plantacijos:
trys ciklai,
vietoje
vieno
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
GMM naudojimo ypatumai: reprodukcinė
medžiaga
• Sėklinės plantacijos- nereikalingos, nes GM
reprodukcinė medžiaga gaunama tik vegetatyviniu būdu.
• Kodėl? Dėl rekombinacijos nemaža dalis sėklinių
palikuonių gali neturėti įterpto naujo geno.
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
GMM naudojimo ypatumai: reprodukcinė
medžiaga
Sodmenų išauginimas: dauginimas iki komerciniu mastu
ekonomiškai efektyvaus kiekio
• Reikalingos ekonomiškai
efektyvios vegetatyvinio
dauginimo technologijos
• Organogenzė.
• Somatinė gemalų genezė.
• Augūnų šaknydinimas.
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
Somatinė gemalų genezė ir dirbtinės sėklos
•Apibrėžimas: vegetatyvinio mikro-dauginimo
metodas kai gemalai išauginami iš vegetatyvinių
ar negametinių audinių.
•Manipuliuojant maitinimo terpėmis ir aplinkos
sąlygomis, indukuojama audinių profiliacija į
gemalų pirmines ląsteles, kurios gali būti
užšaldomos skystame azote neribotam laikui.
Sitkinės eglės gemalo formavimasis
iš neapvaisintos kiaušidės audinių
•Norint genotipus klonuoti, šioms gemalų
pirminėms ląstelėms indukuojamas augimas į
gemalus, kurie apvelkami dirbtiniu maisto
medžiagų sluoksniu ir taip paverčiami į dirbtines
sėklas
•Dirbtinės sėklos auginamos įprastu būdu į
medelius medelynuose (pigu).
Iš somatinių gemalų išauginti Picea
glauca medeliai Kanadoje
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
Masinio vegetatyvinio miško medžių dauginimo
metodai
3 pagrindinai metodai
1. Organogenezė- augalų išauginimas iš kaliuso
laboratorinėse sąlygose (brangus, labiau tinkantis
lapuočiams).
2. Somatinė gemalų genezė- gemalų išauginimas iš
kaliuso ir dirbtinų sėklų sukūrimas laboratorinėse
sąlygose bei įprastinis medelių auginimas iš sėklų
(pigesnis, tinkantis spygliuočiams).
3. Masinis dauginimas: jaunų medelių karpymas,
šakučių šaknydinimas ir augūnų auginimas
medelyne (pigiausias).
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
Augūnai
Gavus keliolika
GMM klonų, juos
paauginus iki
tinkamo
reprodukcinio
pajėgumo galima
toliau juos dauginti
komerciniu mastu
šaknydinant
šakutes
(produkuojant
augūnus).
Picea abies donoriniai genotipai (hedges), skirti vegetatyviniam
dauginimui šaknydinant augūnus
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Švedija 1998.
Darius Danusevičius
Tinkamiausi GMM panaudojimui yra aukštos ekonominės
vertės rūšių trumpos rotacijos želdiniai (pvz. Populus,
Eucalyptus):
•Aktualiausia GM nauda (dabartiniu metu rezistentiškumas
kenkėjams).
•Mažesnė pasklidimo rizika (nes rotacija trumpa).
•Galima naudoti sterilius medžius.
•Galima apseiti be “gamtinio” aspekto.
Trumpos
rotacijos
Eucalyptus
kelių klonų
želdiniai
Brazilijoje
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
GMM trumpos rotacijos želdinių ypatumai
•Monokloniniai GMM želdiniai būtų jautrūs kitiems aplinkos
veiksniams. Reikėtų bent kelių klonų.
•Pvz. tam, kad kenkėjai neįgytų imuniteto GMM Bt geno
baltymui, tarp GMM gali būti įmaišomi nemodifikuoti klonai.
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
Taip galėtų atrodyti trumpos rotacijos
Bt modifikuoti beržo želdiniaireguliarios eilės ir efektyvi piktžolių ir
sanitarinės būklės kontrolė.
20 metų amžiaus p. eglės augūnai
Švedijoje- trumpos rotacijos želdinių
pavyzdys.
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
GMM gali lengvai pasklisti
•Sėklos nešamos vėjo.
•Žiedadulkės skrenda tūkstančius kilometrų.
•Lytinės reprodukcijos būdu gauti GMM palikuonys gali
turėti defektų, kurie nekontroliuojamai pasklistų ...
•Išeitis- sterilūs medžiai
•Sterilumas gaunamas įterpiant “knock-out” genus, kurie
“išjungia” lytinės struktūras brandinančius genus.
•Sterilumo indukcija padidina GMM kūrimo kaštus.
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
GMM želdiniams tinka egzotinės rūšys,
nes apribojamas GMM pasklidimas
Pinus controrta kairėje ir Pinus sylvestris dešinėje
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
GMM miškininkystės modelis
Reprodukcinė medžiaga
GMM laboratorijoje
Kelių GMM klonų
testavimas lauke
Kelių GMM klonų
dauginimas iki keliolikos
donorinių klonų
Masinis klonavimas
Želdiniai
Reguliarus išdėstymas ir
trumpa rotacija
Tvarkymas: kaip greičiau
gauti produktą
GMM pasklidimo
prevencija
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
GMO rizika
• Nekontroliuojamas GMO
pasklidimas tarp laukinių
rūšių.
• Alergija.
• Biologinis ginklas.
• Kiltos neigiamos pasekmės:
(neigiama genų tarpusavio
sąveika palikuonyse, genų
išmušimas).
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
Miškas – tai natūrali gamta ...
•Miškas suprantamas kaip gamtinė aplinka.
•Visuomenė dažnai nenori, kad gamta būtų dirbtinai
manipuliuojama.
•Todėl greičiausiai GMM nebus leisti naudoti dabartiniuose
ūkiniuose miškuose, kuriuose siekiama gamtai artimo
ūkininkavimo ir natūralaus atsikūrimo.
•Vienintelė išeitis biomasės produkcija trumpos rotacijos
želdiniuose.
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
Monopolinės rinkos rizika
•Genai ir GMM gali būti patentuoti. Ko pasekoje nukentės
fundamentiniai, vieši tyrimai (visuomenės interesams geriau
publikuoti viešai nei patentuoti kompanijų naudai).
•GMO kūrimo kompanijos gali sudaryti sąlygas monopoliui
GMM rinkoje: pelningiau kontroliuoti rinką nei gaminti
konkurencingą produktą.
•Pelno siekimas gali padidinti neigiamą ekologinį GMM
poveikį
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
Sabotažo rizika
•Dažnai GMM bandymai tampa “žaliųjų” ar
“eko-fašistų” protestuojančių prieš GMO
aukomis (kaip ir banginių ar žvėrių
medžioklė, skerdyklos, branduolinės
jėgainės, plyni miško kirtimai)
•GMO lauko testų prižiūrėtojai dažnai
baiminasi jų sunaikinimo.
•Pasekmės – padidėję GMO sukūrimo kaštai.
Protestuotojai buvo atvykę ir prie
šio GMM bandymo Suomijoje
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
Apibendrinant, GMM gali būti netolimoje ateityje
naudojami jei
•Rotacija apie 10-15 metų .
•Egzotinė rūšis (ribotas išplitimas).
•Egzistuoja kloninės miškininkystės
metodai (ekonomiškai efektyvus
vegetatyvinis dauginimas).
•Veikianti selekcinė programa (nėra
adaptacinių problemų, yra kompetencija ir
lauko bandymai).
•Noras rizikingai investuoti.
•Geri ryšiai su mokslu.
Populus ar
Eucalyptus?
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
Literatūros sąrašas
Desmond S. T. Nicholl. 2002. An Introduction to Genetic Engineering (Studies in Biology).
Cambridge University Press; 2 edition (February 7, 2002), ISBN: 0521004713.
FAO, 2004. Preliminary review of biotechnology in forestry, including genetic modification.
Forest Genetic Resources Working Paper FRG/59E, Forestry Department, FAO. Rome, Italy.
Gallardo, F., Fu, J., Cantón, F.R., García-Gutiérrez, A., Cánovas, F.M. & Kirby, E.G 1999.
Expression of a conifer glutamine synthetase gene in transgenic poplar. Planta, 210: 19–26.
Jain, S.M. and Ishii, K. 2003. Micropropagation of Woody Trees and Fruits. Forestry Sciences,
V.75, Kluwer Academic Publishers, ISBN: 1402011350.
Heuchelin, S.A., Jouanin, L., Klopenstein, N.B. & McNabb, H.S. 1997. Potential of proteinase
inhibitors for enhanced resistance to Populus arthropod and pathogen pests. In Klopfenstein,
N.B., Chun, Y.W., Kim, M.S. & Ahuja, M.R., eds. Micropropagation, genetic engineering, and
molecular biology of Populus. Gen. Tech. Rep. RM-GTR-297, pp. 173–177.
Jounin, L and Goujon, T. 2004. Tuning metabolism through genetic engineering in trees. In:
Molecular genetics and breeding of forest trees (Kumar, S. and Fladung, M. eds). Haworth
Press Inc., p. 167-191.
Lemmetyinen ir Sopanen 2004. Modification of flowering inforest trees. In: Molecular genetics
and breeding of forest trees, p. 263-291.
Lida, W., Yifan, H., Jianjun, H. 2004. Transgenic forest trees for insect tolerance. In: Molecular
genetics and breeding of forest trees, p. 243-261.
Kirsi-Marja Oksman-Caldentey.2002. Plant Biotechnology and Transgenic Plants.
ISBN:
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
082470794X. Publisher: CRC.
Kreuzer, H and Massey, A. 2001. Recombinant DNA and Biotechnology: A Guide for Teachers.
American Society Microbiology; 2nd edition, ISBN: 1555811752.
Kumar, S. and Fladung, M. (eds.). 2004. Molecular genetics and breeding of forest trees (.
Haworth Press Inc., 429 p.
Yanchuk, A.D. 2001. The role and implications of biotechnological tools in forestry. Unasylva,
204(52): 53–61.
Plomion, C., Pionneau, C. & Baillères, H. 2003. Identification of tension-wood responsive
proteins in the developing xylem of Eucalyptus. Holzforschung, 57: 353–358.
Mellan, R., Brunner, A.M., Skinner. J., Strauss, S. 2001. Modification of flowering in transgenic
trees. In: Moleculara breeding of woody plants (Morohoshi and Komamine eds.) Elseverier
science. 247-258.
Sliesaravičius, A ir Stanys, V. 2005. Žemės ūkio augalų biotechnologija. Enciklopedija, Vilnius,
ISBN 9986-433-36-3.
Steven H. Strauss, H. D. Bradshaw 2004. The Bioengineered Forest : Challenges for Science
and Society. Resources for the Future, ISBN: 1891853716.
Skinner, J.S., Meilan, R., Brunner, A.M. & Strauss, S.H. 2000. Options for genetic engineering
of floral sterility in forest trees. In S.M. Jain & S.C. Minocha, eds. Molecular biology of woody
plants, Vol. 1, pp. 135–153. Dordrecht, Netherlands, Kluwer.
Tourte, Y. 2003. GMO: Transgenesis in Plants. Science Publishers Inc. ISBN: 1578082609
Oksman-Caldentey, K.M. and Bardz W. H (eds.) 2004. In Plant biotechnology and transgenic
plants. Mercel Deker Inc. USA, ISBN 0-8247-0794-X.719 p.
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
Desmond S. T. Nicholl. 2002. An Introduction to Genetic Engineering (Studies in Biology).
Cambridge University Press; 2 edition (February 7, 2002), ISBN: 0521004713.
FAO, 2004. Preliminary review of biotechnology in forestry, including genetic modification.
Forest Genetic Resources Working Paper FRG/59E, Forestry Department, FAO. Rome,
Italy.
Jain, S.M. and Ishii, K. 2003. Micropropagation of Woody Trees and Fruits. Forestry
Sciences, V.75, Kluwer Academic Publishers, ISBN: 1402011350.
Kirsi-Marja Oksman-Caldentey.2002. Plant Biotechnology and Transgenic Plants. ISBN:
082470794X. Publisher: CRC.
Sliesaravičius, A ir Stanys, V. 2005. Žemės ūkio augalų biotechnologija. Enciklopedija,
Vilnius, ISBN 9986-433-36-3.
Steven H. Strauss, H. D. Bradshaw 2004. The Bioengineered Forest : Challenges for
Science and Society. Resources for the Future, ISBN: 1891853716.
Sliesaravicius A., Stanys V. 2005. Žemės ūkio augalų biotechnologija. V.: Enciklopedija,
234 p.
Strauss S.H and Bradshaw H.D. (eds) 2004. The bioengineered forests. Chalenges for
science and society. Washington, DC, US. 245 p.
Vasil I.K. 2003. The science and politics of plant biotechnology - a personal perspective.
Nat. Biotechnol 21: 849-51.
Ермишин А.П. 2004. Генетически модифицированные организмы: мифы и
реальность. Минск, - 118 с.
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius
LITERATŪRA
LIETUVOS MIŠKŲ INSTITUTAS
Darius Danusevičius