MEZÕGAZDASÁGI BIOTECHNOLÓGIÁK Peszticidek helyett biológiai növényvédő szerek Tárgyszavak: növényvédő szer; biológiai védekezés; kártevő-antagonisták; kártevő-patogének; rezisztens növény; szabadalmaztatás. Az állatvilághoz hasonlóan az embereknek is állandó harcot kell folytatni azért, hogy biztosítsák osztályrészüket abból az ökoszisztémából, amelyet elfoglaltak és amelytől függetlenek. Az ősembert valószínűleg a nagy ragadozó állatok fenyegették leginkább, de miután rátért a földművelésre, a gyomok, rovarok és mikroorganizmusok lettek a fő versenytársak, mivel azok pusztították a termést, a tápanyag- és takarmánykészleteket. Korábban nem megfelelő technológiákat alkalmaztak ezeknek a versenytársaknak a leküzdésére, így ma már elképzelhetetlen kártételeket és éhínséget kellett elviselniük. A múlt században végbement tudományos haladásnak és fejlesztésnek köszönhetően ma már hatékony és korszerű rendszerek vannak a növényi kártevők viszszaszorítására. A leghatékonyabb rendszernek a peszticidek alkalmazása bizonyult, rezisztens növényfajták egyidejű termesztésével. A peszticidtermelés jövedelmező üzletté vált, kiváló minőségű tápanyagot lehetett előállítani fölöslegben, az éhség és a kártevők már nem voltak gyakoriak, így a Föld lakossága folyamatosan növekedett. Mégis ennek a kiváló technológiának a helyettesítésére törekednek, különböző okokból. A környezetvédő szervezetek és egyének a fokozott peszticidalkalmazást közegészségügyi és környezeti veszélynek tekintik, amely végső soron a mezőgazdaság fenntarthatóságát fenyegeti. Az agronómusok egyre fokozódó problémákat tapasztalnak a kártevő-populációkban kialakuló peszticidrezisztenciával kapcsolatban ami hasonló az emberi és állatgyógyászatban megfigyelhető antibiotikum-rezisztenciához. Ezenkívül egyre világosabbá vált, hogy a biológiai módszerek gazdaságosabbak lehetnek a peszticidekhez képest, különösen a talaj eredetű kórokozók esetében. Így a mezőgazdasági sikertörténet folytatása és a növekvő populáció egészséges környezetben való ellátása érdekében kiegészítő kártevő elleni rendszereket és alternatív módszerek kidolgozását tartják sokan a legsürgősebb követelménynek. Egyesek a művelési rendszerek ökológiai szempontból való kezelését a szerves mezőgazdasági módszerek részének tekintik. Azonban a javított és kibővített genetikai növényrezisztenciát tartják általában a legelső lehetőségnek, bár ez nem
közvetlen technológia. Az ilyen rezisztencia nem mindig érhető el könnyen, mivel nincsenek alkalmas rezisztenciaforrások és a kialakult rezisztenciát a célzott kártevő-populáció gyakran legyőzi. A másik fontos megközelítés a természetben előforduló, kártevőket visszaszorító szervezetek vagy ezek metabolitjainak alkalmazása és/vagy manipulálása. Ez azonban még nincs teljesen kidolgozva és így kereskedelmi forgalomban sem kapható. Széles körű alkalmazás, tudományos és forgalmazási ellentmondások A kártevőket visszaszorító szervezetek gyakorlati és nagyipari alkalmazása nem új. A hasznos mikrobákat és rovarokat már igen régen alkalmazzák a mezőgazdasági művelés során (pl. nitrogénkötés, beporzás, alkoholtermelés, kártevők elnyomása stb.). Az ilyen biokontrollt (biológiai védekezés) elősegítő módszereket tapasztalati úton találták meg a növényfajták, talajtípusok, vetésforgó, talajjavítás és művelés kedvező rendszerének kialakításával. Bár több ilyen módszer elavulttá vált a hatékonyabb peszticidek korában a 2. világháború utáni évtizedekben, a különböző szerves művelési rendszereken belül jelentős reneszánszuk figyelhető meg. Újabban a biokontrollt szélesebb értelemben használják, amely magában foglalja a különböző módszereket, kezeléseket és szervezeteket. Azonban a kezdeti nagy optimizmusok fényében ellentmondásosnak tűnik, hogy a biológiai védekezőszerek gyártása és felhasználása lassú, ami gyártási nehézségekre és törvényi akadályokra vezethető vissza. Tudományos szempontból káros azoknak a fontos ismereteknek és módszereknek a hiánya, amelyek lehetővé teszik az előttünk álló, igen bonyolult rendszerek racionális kezelését. Különösen nem kielégítő a talaj és a növényi mikroorganizmusok ismerete a földművelési rendszereken belül. Ezenkívül a hagyományos peszticidekhez viszonyítva sok biológiai termék helyszíni hatékonysága amely gyakrabban függ a környezeti és egyéb körülményektől változékonyabb, részben amiatt, mert nem annyira széles spektrumúak. A hatékonyság eléréséhez gondosabb és szakszerűbb kezelésre van szükség, mint a kémiai peszticidek estében. A felhasználó szempontjából ez a sokszor tapasztalt változékonyság súlyos hátrányokkal jár. A természet kiaknázása Mivel a legtöbb élőlény állandóan más élőlények prédája lehet, gyakran megfigyelhetők intenzív versengések és halálos biológiai kölcsönhatások, ahol különböző kártevők vannak jelen. Az újabban tesztelt biokontroll módszerek központi dogmája a kártevők egyes gyakori ellenségének vagy antagonistájának háziasítása vagy hatékony támogatása. A meglevő biotechnológiai
és/vagy ökológiai eszközökkel arra kell törekedni, hogy ezeket az antagonistákat jó katonákká alakítsuk, amelyek hatékonyan gátolják a célkártevőket. Kártevőket elpusztító és megtámadó szervezetek alkalmazása A kártevő-antagonisták vagy kártevő-patogének mesterséges elszaporítása, majd alkalmazása a célszervezet közvetlen megtámadására hasonlít a kémiai kártevőirtáshoz, amely a fő stratégia a biokontroll termékek forgalmazását követően. Különböző típusú szereket teszteltek (rovarvírusok; herbicidekeket, rovarokat vagy kórokozókat megtámadó gombák és baktériumok). Az aktív szerek zömét a természetben találták és a legtöbb esetben intenzív válogató és tesztelő eljárásokkal szelektálták. Néhány ilyen szervezetet már szabadalmaztattak (Trichoderma gombák, Pseudomonas, Bacillus). Azonban sok termék kifejlesztése és forgalmazása csalódást okozott, bár növekszik a sikeres kereskedelmi bevezetések száma is. Ilyen, kereskedelmi forgalomban levő termékek: Contans (Conithyrium gombából készült preparátum szőlő szürkerothadása ellen); Serenade (Bacillus substilist tatalmaz, amely különböző gombakártevők ellen hatásos); Botanigard (rovarokat megtámadó Beauveria gombából készült, amelyet melegházakban alkalmaznak); Cedomon (Pseudomonas chlororaphisból készült, amelyet elterjedten használnak gabonafélék betegségei ellen Skandináviában); Camperico (a Xanthomonas campestris növényi kórokozó baktériumot tartalmazza és golfpályák pázsitjának gyomirtására használják). Több termék a Bacillus thuringiensis toxintermelő rovarantagonista különböző törzseit tartalmazza, amely régóta a legeredményesebb biokontroll készítmény. Más, régóta alkalmazott termékek a Trichoderma és Gliocladium gombák antagonista törzseit tartalmazzák. A Mycostop nevű szer Streptomyces griseoviridisből áll és főleg üvegházakban használják. Ezekben az esetekben az aktív ágensek valamenynyien a természetben előforduló, genetikailag nem transzformált mikroorganizmusok. Lokális fertőzés elleni védelem Mivel részletes információk állnak rendelkezésre a közölt biokontroll szerek hatásmechanizmusáról, csak néhány esetben hiányzik a hatásmódok világos jellemzése. A biokontroll ágensek azonosítható és szükséges jellemzője az a képességük, hogy el tudnak szaporodni specifikus szubsztrátokon vagy helyeken (magvak, gyökerek, hajtások, gyümölcsök felszínén). A helyszínen az antagonizmus mechanizmusa lehet tápanyagért vagy területért való versengés, sziderofórtermelés, antibiózis, hidrolitikus enzimek vagy egyéb aktív anyagok képzése. Ilyen típusú antagonisták: Agrobacterium radiobacter (ame-
lyet régóta alkalmaznak, mivel megvédi a növényeket a tumorkeltő A. tumefaciens baktériumtól); a Ralstonia solanacearum nem kórokozó törzse (amely gátolja az R. solanacearum patogén típusát), a Heterobasidion annosum farothadást okozó törzsének gátlása a gyökérben elszaporodó Phlebiopsis gigantea gombával (márkaneve Rotstop); és a hervadást okozó Fusarium oxysporum elleni, nem kórokozó F. oxysporum törzs. A gyümölcsök és zöldségek leszedés utáni rothadásának megelőzésére alkalmas termékek Candida vagy más élesztőfajtákat, valamint Pseudomonas syringae-t tartalmaznak. A különböző helyeket védő ágensek gyakran csak akkor hatásosak, ha további kompetitív előnnyel (nagy kezdeti sejtszám) rendelkeznek, korábban elszaporodnak, mint a kórokozó vagy antibiotikus anyagokat termelnek. Biokontroll szerek aktivitásának fokozása, aktív metabolitok A biokontroll ágensek aktivitása és/vagy hatékonysága több módon fokozható: specifikus receptúrák alkalmazása, az élettani állapot gondos szabályozása, különböző ágensek keverése szinergikus hatás elérésére, a génszabályozás vagy expresszió gátlása. Gyakran előfordul a telepképző képesség, túlélés vagy szaporodási sebesség befolyásolása. Azonban mivel sok antagonista antibiotikum metabolitokat termel növelhető ezeknek az aktivitása a molekulák termelésének fokozása vagy magának az antibiotikus vegyületnek az előállítása útján. Ilyen pl. a BT rovartoxin amelyet a B. thurginiensis baktérium termel, amely specifikusan elpusztít bizonyos rovarokat. A toxint, a fokozott toxintermelő törzseket és a toxin genetikai kódolását már alkalmazzák a gyakorlatban. Hasonlóan eredményes kísérleteket végeztek más antagonistákkal és metabolitokkal (pl. kitináz és β-1,3-glukanáz, amelyek lebontják a gombák sejtfalát). Egyéb, a baktériumok által termelt, gombák elleni molekulák: fenazinok, 2,4-diacetil-floroglucinol, pioluteorin, pirrolnitrin, pepdidek (defenzinek). Az antagonista metabolitok jelen vannak a természetben, általában az emlősökre ártalmatlanok és könnyen lebomlanak, de lehetnek más a hagyományos kémiai peszticidekkel közös jellemzőik is. Ezért ezeket egészségügyi és szabadalmaztatási szempontból kémiai pesztidideknek kell tekinteni. Egyértelműen a kémiai peszticidekhez tartoznak, de eredetileg egy gomba metabolitján alapulnak pl. a fungicid strobilurinok. Ez ugyancsak megerősíti a kémiai és biológiai kontroll elkülönítésével járó nehézségeket, főleg antibiotikus anyagok esetében. Növényi rezisztencia kialakítása Bizonyos, kártevőket gátló mikroorganizmusok alig vagy egyáltalán nem mutatnak közvetlen antagonizmust a célzott kórokozó iránt, ehelyett a bio-
kontroll aktivitást közvetve, a növényi rezisztencia kiváltásával fejtik ki. Az ilyen rezisztencia általában kétféle lehet: a) általános szerzett rezisztencia (SAR), amelyet rendszerint kórokozók váltanak ki; b) indukált általános rezisztencia (ISR), amely szalicilsav-független és általában nem kórokozó baktériumok indítják meg. A rezisztencia gyakran aktív különböző kórokozókkal szemben, de a reakció törzs- és fajspecificitást mutathat. Abból kiindulva, hogy gyenge növényi kórokozók is képesek lehetnek SAR kiváltására amely agresszívebb kórokozókkal szemben is aktív, a gyenge kórokozók előzetesen beolthatók és azután biokontroll ágensként működnek az agresszívabb szervezetekkel szemben. Egy hasonló eset amelyet a gyakorlatban is széles körben alkalmaznak a növényi vírus által kiváltott keresztvédelem: az előzőleg beoltott, gyenge vírustörzs védelmet nyújt egy pusztítóbb rokonvírus vagy törzs ellen. Az antibiotikus vegyületekhez hasonlóan azonosítani lehet olyan specifikus, kiválasztott anyagokat, amelyek növényi rezisztenciát váltanak ki. A baktériumokban levő aktív ágensek gyakran a külső membrán-lipopoliszacharid O-antigén oldalláncai, sziderofórok vagy szalicilsav. Újabban került forgalomba a Messenger-preparátum, amelynek aktív része egy rezisztencia-indukáló baktériumfehérje. A hatásmechanizmusok tisztázása A kémiai peszticidekkel ellentétben bizonyos nehézségek vannak a biokontroll ágensek komplex hatásmechanizmusával kapcsolatban. Emiatt általában bonyolultabbak, nehezebben kezelhetők, mint az egyszerűbb kémiai peszticidek, különösen ott, ahol a hatékonysághoz több jelleg szükséges, vagy ahol a szernek környezetkímélőnek kell lennie. Mivel a hatásmechanizmusokat nehéz teljesen tisztázni, nincs egyértelmű módszer ezek elkülönítésére sok más jóindulatú mikroorganizmustól, amelyeket termelő- vagy tárolórendszerek beoltására használnak. Azonban a bonyolult hatásmechanizmusok előnyösek is lehetnek a kémiai peszticidekkel szemben, mivel gátolhatják a rezisztencia kialakulását a célkórokozókban. A biokontroll hatásmechanizmusainak sokfélesége Bár bizonyos esetekben (BT-toxin termelése) részletesen ismerjük a hatásmechanizmust, a mikrobiális biokontroll ágensek zömében azonban nem. Általában ritka, hogy egyedül csak egy mechanizmus működik a kártevő vagy betegség gátlása során. Az eredményes biokontroll ágens általában különböző jellegekkel rendelkezik, amelyek gyakran összhangban működnek és döntő
szerepük van a végeredményben. Ilyenek pl.: specifikus telepképző és versengő képesség, minimális szaporodási vagy spóracsírázási sebesség, specifikus helyekhez való tapadás, speciális enzimek kiválasztása, növényi rezisztenciát kiváltó képesség, populációsűrűségi komponensek szabályozása, antibiotikumok kiválasztása (vízoldékony és/vagy illékony), aktív metabolitok specifikus indukciója. Ezért hagyományos szempontból nehéz teljesen tisztázni a hatásmechanizmusokat, különösen a helyszínen végzett hatékonysági tesztelés során szelektált ágensek estében, ami gyakran zavarja a szabadalmi hivatalokat. Kereskedelmi és/vagy a gyártók szempontjából ezek a komplex hatásmechanizmusok azt is jelentik, hogy a teljesítmény és hatékonyság sokkal inkább függhet az előállítástól, összetételtől, csomagolástól, alkalmazástól stb., mint a kémiai peszticidek esetében. Így a biokontroll készítményeket a legtöbb esetben nem lehet a többnyire egyszerű és rendszerint igen stabil kémiai peszticidek valódi pótlékainak vagy analógjainak tekinteni. Ezek inkább a kártevőirtás teljesen új koncepcióját jelentik. Azonban azok a preparátumok, amelyek aktív anyagként egy izolált mikrobametabolitot tartalmaznak, gyakran jogosan tekinthetők a kémiai peszticidek új típusának. Hatástalan biokontroll ágensek Egyre inkább világossá vált, hogy a hosszú evolúciós és szoros kapcsolat a növények és a körülöttük levő, fertőző mikroorganizmusok között különböző függőségek kialakulását eredményezte, amelyeket még csak részben tisztáztak. Eltekintve a behatóan vizsgált kórokozó és valódi szimbiotikus kölcsönhatásoktól, vannak különböző, lazább, valószínűleg fakultatív társulások és sorozatos kölcsönhatások, amelyek általában nem váltanak ki drasztikus tüneteket vagy morfológiai változásokat, de mégis mérhető és szignifikáns hatást gyakorolhatnak a növény növekedésére és fejlődésére. A mikrobiális partnerek közvetlenül (pl. növényi hormonok termelése) vagy közvetve növényt befolyásoló, más szervezetekkel kölcsönhatásban fejthetik ki hatásukat. Azonban mivel a hatásmechanizmus legtöbb esetben nagyrészt ismeretlen a biokontroll céljára forgalmazott ágensek zöme közvetlen hatást gyakorolhat mint a növény növekedését elősegítő anyag, vagy néha káros lehet a növényre, különösen mert ezek a hatások növényspecifikusak. Azonban a jelenleg növekedést serkentő anyagként forgalmazott számos mikroorganizmus betegség elleni rezisztenciát is válthat ki vagy enyhén antagonista hatása lehet a kórokozóval szemben, de igen nehéz lemérni és meghatározni mi az ok és a hatás. Az eddig felsorolt biokontroll ágenseken kívül vannak még olyan mikrobacsoportok, amelyek közvetlenül vagy közvetve hatnak a növény fejlődésére és utánozzák a kártevőgátlást. Ilyen pl. a növények és a metanolhasznosító baktériumok (Methylobacterium) társulása, valamint a mikorrhiza-segítő bakté-
riumok (főleg Pseudomonas), amelyek kis koncentrációban is jelentősen fokozzák a növényi gyökérgomba kialakulását. Fontos még az ún. premier baktériumok -nak nevezett csoport, amely intenzíven szaporodik és hatékonyan gátolja a búza betegségét. Nemcsak biológia A bevált biológiai peszticidpótlók többségét csomagolni, elosztani és forgalmazni kell. Azonban még megfelelő és hatékony, természetes biokontrolljelölt szervezetek, vegyületek vagy elvek sikeres kutatása, valamint a konkurens hatásmechanizmus részletes tisztázása után is előfordulhat, hogy nem áll rendelkezésre piacképes, peszticideket helyettesítő biokontroll termék. A különböző követelmények mellett (gazdaságos termelés, igazolt hatékonyság, megbízhatóság változó éghajlati viszonyok között, jó tárolhatóság, kidolgozott alkalmazási eljárások, marketing) bizonyos szabadalmazási típusok esetében a termék szétosztását és eladását is szabályozzák. A legtöbb nyugati országban a szabadalmazási eljárás alapos, és így jelentős gazdasági terhet jelent, általában szükség van szabadalmi védelemre minden termékfejlesztő és/vagy a szabadalmaztatási költséget támogató személy esetében. Azonban a természetben előforduló szervezetek vagy biokontroll elvek szabadalmazása jóval nehezebb, mint pl. egy specifikus molekuláé. Sok hatékony biokontroll ágenseket tartalmazó mikrobafajt mér régen leírtak és a mért hatások gyakran nem újak és nem egyedülállók. Ezenkívül a szervezetek változnak (több különböző törzs is előfordulhat) és gyakoriak a genetikai variációk. Ezenkívül a biokontroll időszerű alkalmazását bizonyos gyakorlati és pszichológiai tényezők korlátozzák. Mivel a legtöbb forgalmazott termék új koncepción alapszik, a hagyományos eljárásokat gyakran meg kell változtatni. A biotermékeknek be kell törni egy meglevő agráripari komplexbe, amely marketing szempontból problémát okozhat: a biotermékek a kémiai peszticidektől eltérő hatást fejthetnek ki a hagyományos tesztelési helyzetekben. Ennek következtében sok biokontroll ágenst amely tudományos szempontból kiváló valószínűleg sosem fognak használni gyakorlati célra. Távlatok Az eddigi törekvések és sikerek ellenére a fejlődés nem elég gyors és eredményes, bár vannak ígéretes lehetőségek. Ezeket a legtöbb esetben finomítani és fejleszteni kell, mielőtt az egyetlen, stabil molekulán alapuló peszticidekkel teljesen kompatibilisek lennének. Feltehetően megmaradnak a modern, többnyire kis kockázattal járó peszticidek és fokozatosan, egyre inkább kiegészítik vagy kombinálják ezeket egyre hatékonyabb biokontroll rendszerekkel vagy készítményekkel. A biológiai védekezés elősegítésének fő előnye a gyorsan fejlődő koncepciók, ismeretek és módszerek a biotechnológia
különböző területein. A még hatékonyabb DNS-alapú módszerek kialakulása nagyban megkönnyítette a jelölt ágensek ellenőrzését és azonosítását, a hatásmechanizmus tisztázását, valamint a biokontroll ágens sorsának és aktivitásának figyelését alkalmazás után. Ez bepillantást nyújt az ökológiai korlátokba, fontos és értékes adatokat szolgáltat szabadalmaztatási célra. A proteomika és funkcionális genomika fejlődése eddig nem tapasztalt lehetőségeket ad a stressz és élettani állapot meghatározásához és követéséhez (pl. a biokontroll ágensek döntő génjeinek expressziója tömegtermelés, formulálás, tárolás, alkalmazás során). Bár politikai döntésektől is függ, még nagyobb előrelépés várható ott, ahol genetikailag módosított szervezetek (GMO) alkalmazhatók biokontroll ágensként. Lehetővé válik új szervezetek tervezése, a hatékonyság és aktivitási spektrum bővítése. A meghatározó gének expressziójának fokozása és különböző, biokontroll ágensek génjeinek kombinálása két kézenfekvő lehetőség. Kialakíthatók a növényi kórokozó-rezisztencia és a biokontroll ágensek különböző, hatékony kombinációi. Azonban a gyorsan fejlődő biotechnológia korában a biológiai kórokozógátlást az alkalmazott biotechnológia viszonylag új területének kell tekinteni, amely még inkább kísérleti, bővülő szakaszban van, de számos, ígéretes lehetőséget még vizsgálni kell. A jelenlegi óvatos optimizmusnak azonban egyéb okai is vannak. Eltekintve attól, hogy valószínűleg a szabadalmazási és egyéb piaci korlátozások drasztikus csökkenése várható, sok új lehetőség is van, mivel a talaj- és növényi mikroorganizmusoknak csak néhány százalékát ismerjük. Ez valószínűleg nagy lehetőségeket fog biztosítani domesztikálásra alkalmas, új, fontos mikroorganizmusok felfedezéséhez. Ezenkívül számos lehetőség van az összeállítások és alkalmazási eljárások javítására, különböző biokontroll rendszerek egymással vagy fizikai kémiai módszerekkel való kombinálására, amelyek még kipróbálásra és értékelésre várnak. (Dr. Pálfi Ágnes) Gerhardson, B.: Biological substitutes for pesticides. = Trends in Biotechnology, 20. k. 8. sz. 2002. p. 338 343. Osusky, M.: Transgenic plants expressing cationic peptide chimeras exhibit broad-spectrum resistance to phytopathogens. = Nature Biotechnology, 13. k. 11. sz. 2000. p. 1162 1166. Moellenbeck, D. J.: Insecticidal proteins from Bacillus thuringiensis protect corn from corn rootworms. = Nature Biotechnology, 14. k. 7. sz. 2001. p. 668 672.