MEZŐGAZDASÁGI BIOTECHNOLÓGIÁK A mezőgazdasági biotechnológia eredményei és fogadtatása Tárgyszavak: növényvédelem; géntechnika; génmódosított termény. A géntechnika, amely képes megváltoztatni szinte bármely élő organizmus tulajdonságokat és funkciókat meghatározó génállományát, mára az ipari méretben gyógyszert termelő baktériumoktól, a kártevőket elriasztó, aszálykor is termő kukoricán és gyapoton, valamint a speciális tulajdonságokkal felruházott, orvosi kísérletekkel a gyógyászatot szolgáló transzgénikus emlősökön át, öröklött kór diszpozíciójától géncserével megszabadított csecsemőig bizonyítja lehetőségeit (a kalandosabb utópisztikus vagy éppen reális ígéretekről, reményekről nem is szólva). A géntechnikai módosítások két legsikeresebb, ill. legnagyobb horderejű és mind a tudományos, mind a jogszolgáltató és politikai szféra, de ugyanúgy a laikus közvélemény és aktív érdekcsoportok élénk reakcióit, vitáit, konfliktusait leginkább kiváltó területe, a termények értéknövelését célzó modern növénynemesítés: az agrogéntechnika és az emberi reprodukciót az ivarvonalat mintegy korrigáló beavatkozások. Az élelmezés időszerű kérdései A biztonságos és tartósan gondoskodó élelmezésnek három feladata van: védeni a terményeket gyomoktól, kártevőktől és betegségektől, növelni a hozamokat a szárazság- és sótűrés fokozásával, végül javítani a növényi termékekben az olajok, fehérjék, vitaminok és egyéb értékes anyagok összetételét. Az első feladatot ha nem is általánosan elismert sikerrel oldotta meg a szerves kémia. A másodikban is tekintélyesek az eredmények, és a modern biotechnika továbbiakat ígér. A harmadik programban igen nagyok az élelmi-
szeriparral és -ellátással szembeni, a minőség és a változatosság iránti követelmények különösen a földi népszaporulatot is tekintetbe véve. Növényvédelem 2000 után Kétségtelen, hogy a vegyszerek továbbra is a növényvédelem nélkülözhetetlen anyagai maradnak. Ennek az a fő oka, hogy a gyomirtóknak nincs alternatívájuk. Bár terjed a javított tulajdonságú, genetikailag módosított termények használata, a kártevőknek a szokásos kezelésekkel szemben kialakuló ellenállása folytán felértékelődnek olyan új típusú mérgező hatóanyagok, un. toxofórok, mint az imidakloprid, a fipronil és az azoxisztrobin. A széles hatásspektrumú azoxisztrobint már legalább 50 országban használják számos terményfajta védelmére. Ez is bizonyítja, mennyire téves az az elképzelés, hogy a géntechnika teljesen ki fogja szorítani a kémiát a földművelésből. A genomok feltérképezésében elért eredmények új lehetőségeket és módszereket tárnak fel a biológiai kutatási feladatok és célok kitűzésére is. Pl. tanulmányozni lehet vegyi anyagok egyetlen szervezet több tízezer génjére gyakorolt hatását, génkészleteket egyetlen kis lemezen tömörítve. Vagyis az egy vegyszer egy szervezet képletet felváltották a tömeges, párhuzamos biológiai vizsgálatok. A különféle organizmusok felderített biokémiai szabályozó mechanizmusai felhasználhatók nagy áteresztőképességű indikátoros szűrések kidolgozására. Így az in-vitro szűrés hátrányai kiküszöbölődnek azáltal, hogy a génexpresszió összekapcsolható mind a fenotípussal (a szervezet fizikai alkatával), mind a gén által kódolt fehérjefunkcióval (1. ábra). Jelentős a növényvédő vegyszerek szűrésében elért módszertani fejlődés. A hagyományos eljárás szerint a gyártó cégek évente kb. 10 000 házilag szintetizált vegyület félgrammos adagjait üvegházban próbálták ki ún. indikátornövények, rovarok és gombák ellen. Ma miniatürizált in-vivo és in-vitro módszerrel is százezres minták vizsgálhatók, hogy rátaláljanak az ígéretes molekulákra. A mikrolemezeken a vizsgálati anyagoknak csupán mg-jaira van szükség, a lemezek kezelésére, a minták sorozathígítására stb. és az eredmények kiértékelésére pedig kereskedelmi forgalomban vannak automatizált berendezések. A szűrésre bocsátandó vegyületeket rendszerint ugyancsak automatizált, rutinlépésekből álló multiparallel szintézisek szolgálják, ezek termékeit a cégek gyakran cserélik egymás között. Felhasználhatók un. vegyületkönyvtárak és a kémiai kombinatorika módszere is, akár házon belül, akár külső szolgáltatásként. Végül a természet kínálta extraktumok az újdonságok számlálatlan lehetőségét rejtik. Kémiai kombinatorika A kémiai kombinatorika kiindulását képező, kémiailag polimerhez kötött anyag adagját külön-külön reagáltatják különböző vegyületekkel. A folyamatot
ismétlik, majd az így nyert termékeket lehasítják a polimerről. Ennek az egyszerű elvnek az alkalmazása csak célszerű és leleményes tervezéssel vezethet a kívánt sikerhez, vagyis a szakembernek úgy kell megválasztania a kiinduló molekulákat és a műveleteket, hogy megfeleljenek a növényvédő programnak, de legyen meg a szükséges diverzitás is. Másfelől nem ér semmit a választék, ha a vegyületek megfelelő transzlokációs képesség hiányában nem érhetik el in-vivo a megcélzott helyet. Ez azt jelenti, hogy a tervező, szerves kémiai jártassága mellett nem nélkülözhet növényfiziológiai és informatikai kémiai ismereteket sem. genom kromoszóma a szervezetet leíró genetikai anyag sejtmagban levő struktúrák, amelyek együtt alkotják a genomot géntérkép a kromószómán azokat a helyeket kijelölő ábrák, amelyek megfigyelhető, ill. ismert funkciókért vagy jellemzőkért felelősek szekvencia a DNS-ben levő kód egyedi elemeinek rendje és mibenléte gén a szekvenciák azon szakaszai, amelyek a sejtet utasítják fehérje előállítására fehérje a gén aktivitása folyamán gyártott fehérje funkció a fehérje tevékenysége 1. ábra A genomtól a fehérjefunkcióig Az informatikai kémia segítségével a hatások és azok határainak kifürkészésére, vegyületek hosszú sorának szintézise helyett ki lehet választani a teljes könyvtárnak egy reprezentatív részét. Bizonyos algoritmusokkal pl. 500 vegyületből ki lehet emelni 25-öt, és ezek szűrése úgy tekinthető, mintha a többi 475 is átment volna a szűrésen.
Adagolás, alkalmazás A növényvédelem szempontjából az anyagok kémiájával és biokémiájával egyenrangú jelentőségű azok adagolása és alkalmazásuk technikája. Ezáltal kerülnek ugyanis közvetlen kapcsolatba a felhasználóval a kutatófejlesztő munka érzékelhető eredményei. E módszerek rugalmassága és biztonsága szavatolja a védekező szerek optimális hatékonyságát. Az adagolás új módszerét képviselik a gyógyászati retardkészítmények mintájára kidolgozott, időben elhúzódva kibocsátott (ill. szabaddá váló) mikrokapszulált termékek. Ezek, nagyobb hatékonyságuk mellett kevésbé mérgezők, és a gyakori vizes bázisú változatok nyilvánvalóan kevésbé illékonyak és gyúlékonyak is. Földrajzi információs rendszerek segítik a helyes terítést, a célterületek kijelölését, valamint az elégtelen, ill. túladagolás elkerülését. Felhasználásukkal feltérképezhető a terepeken a szerves anyagok, tápanyagok és a ph egyenetlen eloszlása, s ezekhez lehet szabni a növényvédő szerek időbeli és mennyiség szerinti alkalmazását. Növénynemesítés az ősidőktől máig A növényi DNS-t, ill. alkotó génjeit a földet művelő ember évezredek óta változtatja, természetes mutánsokat hordozó, kedvező tulajdonságú egyedek termesztéshez való kiválasztásával, valamint rokon fajták keresztezésével. Ezt követte véletlenszerű genetikai változások előidézése besugárzással és kémiai mutagenezissel. A gyakorlat legújabb folytatása pedig a géntechnikai módosítás gén bevitelével (többnyire a módosítást jelző marker kíséretében). Ehhez a növényi szöveteket DNS-sel bevont aranyrészecskékkel bombázzák, vagy a természet géntechnikusait, talajbaktériumokat hívnak segítségül. Mindkét módszer kellően célzott, pontos, és lehetővé teszi a bevitt gén által kódolt fehérje hatásainak előzetes tanulmányozását. Genetikailag módosított termények a világ földművelésében A genetikailag módosított (genetically modified, GM) termények 1996. évi bevezetésétől 2000-ig vetésterületük világviszonylatban 25-szörösre, azaz közel 44 M ha-ra nőtt, elsősorban az USA-ban, Kanadában, Mexikóban és Argentínában. Az európai országok közül GM-változatot termesztenek Romániában szójából és burgonyából, Bulgáriában kukoricából, Ukrajnában burgonyából, kisebb területen Német-, Francia- és Spanyolországban kukoricából. A legelterjedtebb GM-termények: szójabab, kukorica, gyapot és repce (canola). A leggyakoribb módosított tulajdonságok gyomirtókkal és a rovarkár-
tevőkkel szembeni ellenállás. Az 1997 óta termesztett, mindkét irányban módosított kukorica, gyapot és repce még nem képvisel jelentős piaci szektort. Az 1996-ban piacra került, lassan érő (nem puhuló) paradicsom nyers formában nem talált kedvező fogadtatásra, ezért kivonták a forgalomból, de pürét továbbra is gyártanak belőle. A paradicsomon kívül egy gyomirtó iránt érzéketlen szójababot és rovaroktól megkímélt kukoricát talált az USA illetékes hatósága emberi fogyasztásra alkalmasnak. Ellenállás gyomirtóknak és rovarkártevőknek A növények genetikai módosításának egyik fő iránya a gyomirtótűrés, széles hatásspektrumú herbicidekkel szemben. A legelterjedtebb, glifozáttal szembeni rezisztenciát gyapotba, kukoricába, szójába és repcébe, a glufozináttal szembenit kukoricába és repcébe ültették be. A GM-termények akár a felére csökkenthetik a gyomirtó szükséges adagját, több szabadságot nyújtanak a vetésforgó alkalmazásában és megengedik a termőföld ún. konzerváló művelését, vagyis téli háborítatlanságát, ami csökkenti a talajeróziót és a nitrátkilúgozódást. Így érthető a gyomirtókat tűrő növények népszerűsége: a szójának ez a változata az USA-ban az ültetvények 50, Argentínában 70%-át alkotja. A rovarkártevőknek ellenálló változatokat a vetőmagipar a talajlakó Bacillus thuringiensis egyik génjének növényekbe való beültetésével állítja elő. Ez az un. Bt-gén számos rovarra mérgező fehérjét termel, amely azonban hatástalan a hasznos rovarokra, madarakra, emlősökre, halakra (de még földigilisztára is). A Bt-gén változataival több haszonnövényt módosítottak, de a legnagyobb eredményt gyapottal sikerült elérni. A gyapot a rovarkártételre egyik legérzékenyebb termény, ennek a védelmére kell fordítani az USA rovarirtótermelésének kb. egynegyedét. A GM-gyapot ennek a mennyiségnek csak 15 20%-át igényli. A kukorica Bt-módosításának van egy váratlan hatása is: magjában kevesebb a gombaméreg (mikotoxin), köztük a rákkeltő aflatoxin, nyilván annak következtében, hogy a GM-növényt a gombák is kevésbé támadják meg. A Bt-gént hordozó burgonyát elkerüli az olykor nagy pusztítást okozó kolorádóbogár, de más burgonyakártevők megtámadják. Az amerikai farmerek ezért inkább széles hatásspektrumú vegyi rovarirtókra tértek át, és a Btburgonyát ki kellett vonni a forgalomból. Minőségjavítás genetikai módosítással Első, javított minőségű GM-növényből származó termékként az említett paradicsompüré került piacra. A módosított paradicsomnak nagyobb a szilárdanyag-tartalma, ami csökkenti a pürégyártás szennyvíztérfogatát és költ-
ségét is. Ezáltal sűrűbb a pép, sőt olcsóbb is a hagyományos terméknél. Az USA-ban 1996 óta 2 M dobozt adtak el a belőle, de 1999-ben lekerült a nagy áruházak polairól, átadva helyét a non-gm vagy GM-free jelölésű dobozoknak. A nagytételű termények közül, új minőségjegyekkel először a megváltoztatott olajösszetételű szója és repce jelent meg: a GM-repcemag olajának zsírsavaiban nagyobb a mosószer- és szappangyártásban használt laurilsav aránya, a szójaolaj több olajsavat és kevesebb telített, ezen belül is a szívre és az érrendszerre ártalmas transz-zsírsavat tartalmaz. A fentieken kívül még csak egy minőségjavító tulajdonsággal láttak el kultúrnövényt, ez a vírusrezisztencia, a növény pedig a Hawaii szigetén termesztett papaya, amelynek vírusbetegsége egész ültetvényeket pusztított el. Az áttérés a növény ellenálló GM-változatára sikeres volt. Ennek mintájára folynak kísérletek az afrikai édesburgonyával és cassavával, amelyeket szintén saját vírusbetegségeik tizedelnek. A vitamintartalom genetikai úton való növelésének ígéretes voltát legjobban szemlélteti a nagy A-vitamin-tartalmú aranyrizs. A világon mintegy 400 M, főként rizst fogyasztó ember szenved A-vitamin-hiányban, köztük 8 M gyermek emiatt már meg is vakult. Az új, sárga színű rizsből napi 300 g elfogyasztása megszüntetné ezt a tragikus állapotot. Ipari rendeltetésű GM-növények termesztése az élelmiszernövényekéhez képest sokszoros hasznot hozhat a gazdálkodónak. Jó példái ennek az említett, megváltozott zsírsav-összetételű olajos magvak. Termeszthetők még nyersanyagok biológiailag lebontható polimerek gyártásához, különféle ipari felhasználásokra alkalmas keményítőt tartalmazó kukorica, búza és burgonya (Európában 5 Mrd USD-os üzlet!), illatszer- és színezéknövények, valamint fejlődő országok részére ehető oltóanyagot tartalmazó növények, közülük az E. coli, a B-hepatitisz és a dizentéria elleniek már az emberen való kipróbálás szakaszában vannak. Bioremediáció A genetikailag módosított növényekkel kapcsolatos vita egyik paradoxona, hogy a környezetvédő csoportok elvetik felhasználásukat környezetvédelmi problémák, nevezetesen talajszennyezés megoldására. A leggyakoribb talajszennyezést a fejlett mezőgazdaságú országokban az öntözés által felgyűlő só okozza megművelt hektárok millióin. Az újabban kifejlesztett GMparadicsom a természetes növényhez képest többszörös töménységben képes sót elviselni, tehát jelenleg használhatatlannak minősített talajokon fejlődni és termést hozni. Ráadásul a gyümölcs ehető, nem sós, miközben a levelek
tele vannak sóval. Ez azt jelenti, hogy az egynyári paradicsom eltávolítása után a terület alkalmassá válik bármilyen növény termesztésére. Törvényi szabályozás az Egyesült Királyságban Az Egyesült Királyságban GM-növények szabadföldi termesztéséhez előzetes engedélyt kell kérni az illetékes minisztériumtól, ahol független szakértőkből álló bizottság dönt arról, hogy a benyújtott tervezet nem veszélyeztetie az emberi egészséget vagy a környezetet. A módosított terményekből álló vagy azokból készült élelmiszerek egy az egyéb élelmiszerekre érvényesen túlmenő ellenőrző rendszeren mennek keresztül, amelynek döntéshozó tagjait egyetemek és kutatóintézetek (nem az ipar) delegálják. Az Egyesült Királyságban 1996 óta nem engedélyezték GMélelmiszer forgalmazását. Az ellenőrzés a nagy biotechnikai cégeknél alkalmazott módszereket vette át, vagyis a radioallergoszorbens teszteket (RAST), az enzimes immunoszorbens vizsgálatokat (ELISA), amelyekben az élelmiszert emberi vérszérummal szemben próbálják ki, ezenkívül végeznek önkéntesekkel allergén-teszteket, bőrreakciókat, valamint placebóval ellenőrzött fogyasztási próbákat. Egy ilyen vizsgálatsorozat eredményeképpen 1993-ban felfüggesztettek egy programot a brazíliai dió metioninban gazdag fehérjéjének expressziójára takarmányszójában, mert a fehérje allergénnek bizonyult. A GM-termékek fogadtatása Szemben a hagyományos növénynemesítési eredmények azonosításának és jellemzésének korlátozott lehetőségével, a genetikai módosítás eredménye, ill. terméke biztosan felismerhető, a beavatkozás mértéke meghatározható. A módosító gén által kódolt fehérjét elő lehet állítani tiszta formában, hatásai pedig az élelmiszerben is méréssel követhetők. Eszerint a GM-élelmiszereknek ésszerű érvek alapján a hagyományosan nyert hibrideknél és kertészeti különlegességeknél megbízhatóbbnak kell lenniük, hiszen még veszélyeik is prognosztizálhatók, akár mennyiségileg is. Ennek ellenére a közvélemény az egészségre való ártalmatlanságuk magasabb szintű szavatolását követeli. A GM-termékek fogadtatása az Egyesült Királyságban sok európai országhoz hasonlóan nem kedvező, bár a legújabb (2001. február) közvélemény-kutatás eredménye szerint némileg enyhülő irányzatú, ami valószínűleg a bővülő természettudományos műszaki ismereteknek és a GM-élelmiszerek fogyasztásáról a világ minden tájáról érkező híreknek köszönhető. (S ha a ja-
vulás szerény, is minden esetre a közmegítélésben elmozdulás történt a Frankenstein-ételektől és a genetikai környezetszennyezéstől ) Az ellenséges magatartás több tényezőből, így az élelmiszerek ártalmatlanságát illető más eredetű (kergekór, Salmonella-, E. coli-fertőzések) kétségekből, az új termékek hasznára vonatkozó ismerethiányból (ez nagyrészt a médiumok mulasztása, amelyek csak az aggályokról számolnak be), konkrét GM-ellenes kampányok hatásából, végül a GM-termékek 1996 és 1999 között elmaradt jelöléséből áll össze. Mindezek mellett semmi jele sincs annak, hogy az élelmiszer-ellátás illetékesei felhagynának a GM-termékek iránti bizalmatlanságnak mint a marketing eszközének használatával, ahelyett, hogy megfelelő információkkal, választékkal és számos esetben egészségesebb áruval látnák el a fogyasztókat. Ez valószínűleg mindaddig nem fog megváltozni, amíg a nem-gm termékek nem lesznek megbízhatatlanok vagy túl drágák. (Dr. Boros Tiborné) Evans, D.: Crop protection for the future. = Chemistry and Industry, 2001. 16. sz. aug. 20. p. 502 504. Halford, N.: Agricultural biotechnology. = Chemistry and Industry, 2001. 16. sz. aug. 20. p. 505 507.