MOŽNOSTI GENETICKÝCH MODIFIKACÍ U CUKROVÉ ŘEPY

The possibilities of genetic modifications by sugar beet

D. Bečka, L. Jozefyová

Česká zemědělská univerzita v Praze

Summary: In the early 1990s, China became as the first country to grow a GM crop, a virus-resistant tobacco variety. In 1994, tomato variety Flavr-Savr became the first genetically modified food crop to be produced and consumed in an industrialized country. The area planted to GM crops shot up from 1.7 million hectares in 1996 to 11 million in 1997 to 27.8 million in 1998 to 39.9 million in 1999 and to more than 44.2 million in 2000. Countries that grow transgenic crops include North and South America (USA, Canada, Argentina) and China. Sugar beets are being modified to contain traits such as herbicide-tolerance, virus-resistance, and fructan biosynthesis. Herbicide-tolerance sugar beet works similarly to other such crops. The GM sugar beets are most often tolerance to glufosinate and glyfosate. Sugar beets are genetically modified to contain the gene encoding for the viral-sheath protein of BNYVV causes rhizomania among sugar beets. Because sugar beets are bred to produce high amounts of sucrose, this makes them a logical choice for fructan production.

Key words: genetic modified crops, growing area, sugar beet, herbicide-tolerance, virus-resistance, fructan biosynthesis

Souhrn: V roce 1990 začala Čína jako první země na světě pěstovat geneticky modifikované (GM) rostliny - virus rezistentní odrůdy tabáku. V roce 1994 byla na americký trh uvedena první odrůda GM rostliny - rajčata (FlavrSavr) pomaleji dozrávající a odolná vůči otlakům. Poprvé se začala sledovat plocha GM rostlin v roce 1996, kdy se jich na světě pěstovalo 1,7 mil. ha. V dalších letech došlo k exponenciálnímu nárůstu ploch: 11 mil. ha v roce 1997; 27,8 mil. ha v roce 1998; 39,9 mil. ha v roce 1999 a více než 44,2 mil. ha v roce 2000. Většina ploch GM rostlin se nachází v Severní a Jižní Americe (USA, Kanada, Argentina) a Číně. U cukrové řepy jsou genetické modifikace využívány především pro získání herbicidní tolerance, virové rezistence a pro biosyntézu fruktanů. Princip tolerance cukrové řepy k herbicidům je stejný jako u ostatních plodin. Nejčastěji se jedná o získání tolerance k Roundupu (glyfosát) a Liberty (glufosinát). Genetickou modifikací se také podařilo včlenit do genomu cukrovky gen, který kóduje plášťový protein viru BNYVV. Cukrová řepa se svou schopností kumulovat velké množství sacharosy je velmi vhodnou plodinou pro produkci fruktanů.

Klíčová slova: geneticky modifikované rostliny, cukrovka, herbicidní tolerance, virová rezistence, biosyntéza fruktanů

Pěstování genetických modifikovaných rostlin na světě

V roce 1990 začala Čína jako první země na světě pěstovat geneticky modifikované (GM) rostliny - virus rezistentní odrůdy tabáku. V roce 1994 byla na americký trh uvedena první odrůda GM rostliny - rajčata (FlavrSavr) pomaleji dozrávající a odolná vůči otlakům. Poprvé se začala sledovat plocha GM rostlin v roce 1996, kdy se jich na světě pěstovalo 1,7 mil. ha. V dalších letech došlo k exponenciálnímu nárůstu ploch. V roce 2000 tato plocha vzrostla již na 44,2 mil. ha a podle odhadů ISAAA se GM rostliny v loňském roce (2001) pěstovaly na ploše 50,5 mil. ha (obr. 1). V letech 1996 - 2000 se plocha GM rostlin zvýšila více než 25-krát a počet států pěstujících tyto rostliny vzrostl z 6 v roce 1996 na 13 v roce 2000 (ISAA, 2001). Většina ploch GM rostlin se nachází v Severní a Jižní Americe (USA, Kanada, Argentina) a Číně.

Tabulka 1: Plochy hlavních GM rostlin a jejich porovnání s celkovou světovou plochou (mil. ha).

* Zdroj: ISAAA, 2001,** Zdroj: FAO, 2001

1) vlastní výpočet

Nejpěstovanější GM rostlinou byla v roce 2000 sója (25,8 mil. ha), pak následují kukuřice (10,3 mil. ha), bavlník (5,3 mil. ha) a řepka (2,8 mil. ha). Z dalších GM rostlin se pěstují brambory, papája, tykev a další. V roce 2000 bylo z celkové světové plochy sóji (73,4 mil. ha) 35 % oseto geneticky modifikovanou sójou, tj. 25,8 mil. ha (tab. 1).

Obrázek 1: Vývoj celkové plochy GM rostlin na světě (mil. ha).

* odhad

Zdroj: ISAAA, 2001

Genetické modifikace u cukrové řepy

U cukrové řepy jsou genetické modifikace využívány především pro získání herbicidní tolerance, virové rezistence a pro biosyntézu fruktanů.

Tolerance cukrové řepy k herbicidům

Princip tolerance cukrové řepy k herbicidům je stejný jako u ostatních plodin. Nejčastěji se jedná o získání tolerance k Roundupu (glyfosát) a Liberty (glufosinát).

Glyfosát (Roundup) v rostlinách blokuje syntézu aromatických aminokyselin (fenylalanin, tryptofan a tyrosin) tím, že inhibuje enzym 5-enolpyruvátšikimát-3-fosfátsyntasu (EPSP). Existují tři typy transgenů (tj. genů vnášených do genomu rostliny), které podmiňují toleranci ke glyfosátu (ONDŘEJ a kol. 1999):

1. transgeny pro nadprodukci enzymu EPSP (klonované geny pochází z Petunia a Arabidopsis),

2. transgeny pro modifikovaný enzym EPSP tolerantní ke glyfosátu (klonované geny pochází z Salmonella typhimurium, Escherichia coli, Agrobacterium tumefaciens a z rostlin Petunia hybrida a Arabidopsis thaliana),

3. transgeny pro enzym GOX, který metabolizuje glyfosát a tím ho odbourává (klonované geny pochází z bakterie Achtomobacter).

Glufosinát (Liberty, Basta) blokuje enzym glutaminsyntetasu, který je klíčovým enzymem metabolismu dusíku, neboť detoxikuje amoniak za vzniku glutamátu. Při inhibici tohoto enzymu se v rostlině hromadí amoniak ve vysokých koncentracích, což vede k blokádě fotosyntézy a k rozpadu chloroplastů. Bakterie Streptomyces viridochromogenes a S. hygroscopicus syntetizují enzym fosfinotricin-N-acetyltransferasu (PAT), který acetyluje volnou NH2-skupinu glufosinátu a tím ho inaktivuje. Gen, který kóduje fosfinotricin-N-acetyltransferasu klonovaný ze Streptomyces viridochromogenes je označován pat a gen ze S. hygroscopicus je označován bar (BRANDT, 1995; ONDŘEJ a kol., 1999).

Cukrová řepa rezistentní k viru BNYVV

Virus BNYVV (Beet necrosis yelow vein virus) vyvolává rhizománii u řepy. Tato choroba způsobuje ztráty na výnosu až 50 % a snižuje obsah cukru na 10 % oproti zdravé cukrovce s 16,5 % cukernatostí (HÄNI et al, 1993). Půdní houba Polymyxa betae přenáší virus BNYVV a její spóry vydrží v půdě několik let. Genetickou modifikací se podařilo včlenit do genomu cukrovky gen, který kóduje plášťový protein viru BNYVV. To způsobuje, že při infekci virem BNYVV nemůže dojít k rozbalení jeho plášťového proteinu a vir tak není pro rostlinu infekční. Tento princip je nazýván jako předběžná ochrana a umožňuje rostlinám řepy v krátké době vytvořit dostatečné množství plášťového proteinu viru, který má preventivní a tlumící účinky na následné infekce různě agresivními viry (BRANDT, 1995).

Biosyntéza fruktanů cukrovou řepou

Fruktany (polymery fruktosy) se chemicky nebo enzymaticky rozkládají na fruktosu a mají dvě hlavní praktická využití:

1) Potravinářství a zdravá výživa

· nízkokalorické sladidlo (o 60 % nižší než sacharosa),

· prebiologická dietní vláknina podporující růst přátelských bakterií jako jsou Bifidus a Lactobacillus,

· přeměna fruktanů na kyseliny za přítomnosti acidofilních mikroorganismů v zažívacím traktu, které inhibují růst škodlivých bakterií jako je Escherichia coli,

· organické kyseliny z fruktanů jsou absorbovány krevním oběhem a pomáhají snižovat hladinu cholesterolu,

· zvyšují využitelnost vápníku.

Výhodou fruktanů je, že se v zažívacím traktu člověka rozkládají velmi málo nebo vůbec a mají na trávení příznivý vliv podobně jako vláknina. Fruktany s nízkým stupněm polymerizace mají sladkou chuť a lze je použít jako sladidla pro zdravou výživu, protože je ale jejich výroba drahá není používání fruktanů jako sladidel běžné. Jednou z možností je získávání fruktanů z GM řepy.

2) Organický polymer pro průmysl

Fruktany lze použít i jako avivážní prostředek a pro výrobu biodegradovatelných plastů. Rostlinné fruktany se skládají z 5 - 60 zbytků fruktosy a jsou nevhodné pro nepotravinářské použití. Fruktany produkované některými mikroorganismy (Bacillus, Pseudomonas aj.) se skládají až z 100 000 zbytků fruktosy a jsou vhodné pro syntézu polymerů. Některé bakteriální geny pro syntézu fruktanů byly přeneseny do genomu cukrovky, tabáku a jiných rostlin u kterých došlo k syntéze bakteriálních fruktanů. Výhodou je, že se fruktany v rostlinách nerozkládají. Řada vložených bakteriálních genů má i vedlejší účinky - způsobuje toleranci k suchu.

Cukrová řepa se svou schopností kumulovat velké množství sacharosy je velmi vhodnou plodinou pro produkci fruktanů. Ve výzkumném centru Univerzity ve Wageningenu se úspěšně podařilo geneticky modifikovat cukrovou řepu pro produkci fruktanů. Do řepy byl včleněn enzym 1-SST (1-sacharosa:sacharosa-fruktosyl-transferasa) z topinamburu (Helianthus tuberosus). Tento enzym zprostředkovává první krok přeměny sacharosy na nízkomolekulové polymery fruktózy tj. fruktany.

Pěstování geneticky modifikované cukrové řepy

Genetické modifikace u cukrové řepy jsou nejvíce propracovány u herbicidní tolerance k neselektivním (totálním) herbicidům. V řadě zemí se tyto GM odrůdy testují v polních podmínkách a v některých zemích jsou již povoleny první odrůdy ke komerčnímu pěstování (tab. 2). Řada autorů uvádí tyto hlavní výhody pěstování herbicid - tolerantní cukrové řepy:

· omezení herbicidních postřiků na 2-3 po vzejití,

· větší volnost v načasování postřiků (u selektivních herbicidů více záleží na vlivech počasí a fenologických fázích plevelů a řepy),

· první postřik může být opožděn (až 5-6 týdnů po výsevu),

· komplexní hubení plevelů (Liberty, Roundup hubí i víceleté a těžko hubitelné plevele),

· jednoduchost v používání herbicidů (není potřeba poradenská služba při výběru různých kombinací selektivních herbicidů),

· není pozorován žádný negativní vliv na rostliny řepy (běžné selektivní herbicidy způsobují inhibici růstu řepy, což může způsobit snížení výnosu kořene),

· efektivní regulace sekundárních plevelů (herbicidy mohou být aplikovány až do uzavření řádků, což vede k vyššímu výnosu řepy),

· nižší poškození životního prostředí (glyfosát i glufosinát mají nižší toxicitu a rychleji se v půdě odbourávají),

· nižší náklady na regulaci zaplevelení (systémy Liberty Link a Roundup Ready redukují výdaje na regulaci zaplevelení ve srovnání se selektivními herbicidy).

Tabulka 2: Povolené odrůdy GM cukrové řepy.

Zdroj: AGBIOS (Agriculture and Biotechnology Strategies Canada Inc.)

Pozn.: Linie GTSB77 byla testována v polních podmínkách USA v letech 1996-97. Linie T120-7 byla testována v polních podmínkách USA (1994-97), Kanady, západní a východní Evropy a Ruska.

Na obrázku 2 je porovnána kvalita geneticky modifikované (tolerantní k Roundupu) a nemodifikované odrůdy cukrové řepy, které byly pěstovány v polních podmínkách Evropy v roce 1996. Jak je z grafu vidět nejsou v chemickém složení řepné kaše významné rozdíly mezi modifikovanou a nemodifikovanou odrůdou. Linie GTSB77 byla třikrát během vegetace ošetřena přípravkem Roundup (glyfosát) v dávce 0,84 kg účinné látky/ha (což odpovídá dávce Roundupu 1,75 l/ha). Šipky v grafu vymezují mezní hodnoty pro jednotlivé látky uváděné v literatuře.

Obrázek 2: Porovnání kvalitativního složení řepné kaše u geneticky modifikované (GM) a nemodifikované odrůdy cukrové řepy.

Zdroj: AGBIOS (Agriculture and Biotechnology Strategies Canada Inc.)

* obsah sušiny v čerstvé řepné kaši

Použitá literatura

BRANDT, P. (1995) Transgene pflanzen - Herstellung, Anwendung , Risiken und Richtlinien. Birkhäuser, Basel, 306 p.

HÄNI, F. et al. (1993) Obrazový atlas chorob a škůdců polních plodin, Scientia, Praha, 336 s.

ONDŘEJ, M. - DROBNÍK, J. - KEVAN M. A. - JILL S. (1999) Genové inženýrství rostlin. VŠCHT, Praha, 122 s.

AGBIOS, 2002 (Agriculture and Biotechnology Strategies Canada Inc.)

FAO, 2001 (Food and Agriculture Organization)

ISAAA, 2001 (International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications)

Adresa autora