Genetický boj s hmyzími škůdci

24. 06. 2024 Prof. Ing. Jaroslav Petr, DrSc.; Výzkumný ústav živočišné výroby, v.v.i. v Praze, Česká zemědělská univerzita v Praze Škůdci Zobrazeno 219x

Nové genetické techniky včetně převratné technologie CRISPR-Cas9 otevírají zcela nové možnosti i pro ochranu zemědělských plodin před hmyzími škůdci. Do arzenálu budoucnosti patří i vlohy šířené v populaci škůdců tzv. mutagenní řetězovou reakcí.

Genové inženýrství se v souvislosti s ochranou plodin proti hmyzím škůdcům nejčastěji spojuje s rostlinami, které získaly rezistenci díky genům „vypůjčeným“ z bakterie Bacillus thuringiensis. Tyto tzv. Bt-plodiny se ve světě pěstují na velkých výměrách a jejich plochy neustále rostou.

Mutagenní řetězová reakce

Zajímavou alternativu k chemické ochraně nabízí moderní genetické techniky zacílené na dědičnou informaci hmyzích škůdců. Technologie známá jako mutagenní řetězová reakce využívající „gene drive“ čili genový tah se slibně rýsuje především u zavlečených škůdců, kteří nejsou v přírodě dané oblasti původní a jejich decimace by navrátila ekosystémy do stavu před invazí škůdce.

Mutagenní řetězová reakce využívá genetické techniky známé jako CRISPR-Cas9. Ta dovoluje přesně zacílený zásah do DNA nejrůznějších organizmů - od bakterií až po savce včetně člověka. Využívá krátký řetězec ribonukleové kyseliny (RNA) a bílkovinný enzym nukleázu. Ty se propojí v komplex, který v jádru buňky dosedne řetězcem RNA na konkrétní sekvenci písmen genetického kódu v DNA. Připojená nukleáza na tomto místě přestřihne dvojitou šroubovici DNA. Buňky takovou „díru“ v DNA sice opraví, ale často přitom dojde k chybě a k narušení původní dědičné informace. Dá se tak cíleně vyblokovat gen.

Vědci ale dokážou opravu poškozené DNA usměrnit tak, že se do vzniklé „díry“ vloží nový úsek DNA, který kóduje nové vlastnosti. Metoda mutagenní řetězové reakce navodí právě takovou opravu s tím, že se do „díry“ nakopíruje instrukce pro syntézu stejného řetězce RNA a stejného enzymu nukleázy, jaký tuto „díru“ v DNA vytvořil. Instrukce pro tvorbu CRISPR-Cas9 se tak stane součástí dědičné informace a rodiče ji předávají potomkům. Vloha pro tvorbu CRISPR-Cas9 se stará v dědičné informaci o své vlastní rozšíření a dědí se proto způsobem, který neodpovídá Mendelovým zákonům.

Nemendelovská dědičnost

Zákony dědičnosti formulované slavným moravským rodákem říkají, že když se nositel jedné varianty genu kříží s partnerem, který tuto vlohu postrádá, vzniká heterozygotní jedinec s párem vloh, v němž je po jedné z každé varianty.

Když se ale kříží nositel vlohy děděné mutagenní řetězovou reakcí s „divokým“ jedincem, jenž tuto vlohu postrádá, nevzniká heterozygot. Uměle vytvořený mutant předá potomkovi svou vlohu upravenou metodami genového inženýrství. Podle této vlohy se v buňkách potomků vytvoří komplex řetězce RNA s nukleázou. Ten „přepíše“ gen od „divokého“ rodiče na vlohu obsahující instrukci pro tvorbu CRISPR-Cas9. Nevzniká tedy heterozygot ale homozygotní nositel mutované vlohy obsahující instrukci pro CRISPR-Cas9. Proto se taková vloha šíří populací „řetězovou reakcí“. Teoreticky stačí vnést do divoké populace jediného nositele vlohy šířící se mutagenní řetězovou reakcí a po několika generacích už „mutanti“ v populaci převládají.

V prvních experimentech na mušce octomilce vnesli vědci do „divoké“ populace 10 % nositelů mutace a po deseti generacích už se v ní vyskytovali jen mutanti. U hmyzu, který je s to zplodit za sezonu hned několik generací, je šíření vloh mutagenní řetězovou reakcí skutečně rychlé a razantní. Zjednodušeně se dá říct, že se dědičná informace většiny populace „přepíše“ na její novou variantu.

Vědci tak už získali třeba komáry, kteří nejsou schopni přenášet infekční choroby, jako je malárie. Pokud by byl tento hmyz vypuštěn do volné přírody, mohl by „přepsat“ divokou populaci a významně tak omezit výskyt této choroby. V současnosti se připravuje experimentální vypuštění takto modifikovaných komárů v africké Burkině Faso. Celý projekt je pod velmi bedlivou kontrolou, protože zásah do původní populace komárů může mít nečekané ekologické dopady.

Přínosy a rizika

Pomocí mutagenní řetězové reakce lze v populaci rozšířit vlohy, které snižují životaschopnost organizmů a tím snížit jejich četnost či je dokonce úplně eliminovat. V případě zavlečených hmyzích škůdců by to z ekologického hlediska nepředstavovalo tak kontroverzní krok, jako zásah proti původním druhům hmyzu. Vloha šířená mutagenní řetězovou reakcí může u potomstva snížit plodnost, vyvolat výrazný posun pohlaví ve prospěch samců nebo zkrátit život. Výsledkem je redukce početních stavů škůdce nebo i kolaps jeho populací.

Dnes existují systémy, které dovolují jak permanentní existenci vlohy v populaci až do jejího kolapsu, tak i přetrvávání vlohy po omezený počet generací a její následné vymizení. Jednu z možností, jak „vymazat“ vlohy rozšířené mutagenní řetězovou reakcí, představuje vysazení jedinců, kteří ponesou vlohu navracející mutovaný úsek DNA do původního stavu a budou ji opět šířit mutagenní řetězovou reakcí.

Podobně jako u jiných systémů ochrany, je i v případě mutagenní řetězové reakce klíčová otázka vzniku rezistence. Tu nelze vyloučit. Krátký řetězec RNA, který určuje místo působení komplexu CRISPR-Cas9, dosedá v dědičné informaci na sekvenci zhruba dvaceti písmen genetického kódu. Náhodná mutace v této sekvenci může cílové místo v DNA pozměnit natolik, že už se tam komplex CRISPR-Cas9 nenaváže a přestává fungovat. Nositelé mutace se stávají proti mutagenní řetězové reakci „imunní“ a mohou tak získat významnou evoluční výhodu.

Ukazuje se, že různé druhy hmyzu jsou k takovým mutacím různě náchylné. Například octomilka Drosophila melanogaster k nim tíhne, zatímco komár Aedes aegypti nikoli. U hmyzích škůdců zemědělských plodin najdou největší uplatněné mutagenní řetězové reakce, které budou mít za následek redukci počtu škůdců. Jak se bude populace zmenšovat, bude klesat i pravděpodobnost, že dojde k mutaci navozující rezistenci. Riziko vzniku odolnosti lze snížit řadou opatření. Jedním je například využití většího počtu „naváděcích“ krátkých řetězců RNA a tím zacílení nukleázy na více míst ve škůdcově DNA.

Naděje a obavy

Využití mutagenní řetězové reakce vzbuzuje mezi odborníky jak velké naděje, tak i obavy z nepředvídaných následků. Namístě je tedy hodnocení jak potenciálních přínosů, tak i rizik, jež s sebou nese nasazení organizmů s vlohami šířícími se mutagenní řetězovou reakcí.

K výhodám patří bezesporu rychlost, s jakou se vloha šíří, a také fakt, že se rozšíří i do oblastí, které nemá člověk přímo pod kontrolou. Další významnou výhodu představuje specificita. Genetická modifikace postihne jen příslušníky cílového druhu a v případech, kdy se nějaká populace dostatečně geneticky odlišuje, lze mutagenní řetězovou reakci omezit jen na ni. Efekt mutagenní řetězové reakce přetrvává v populaci natrvalo, ale v případě potřeby lze zajistit jeho reverzi.

Výhrad je proti vlohám šířeným mutagenní řetězovou reakcí hodně. Odborníci ale zdaleka nesdílejí všechny obavy zaznamenané v laické veřejnosti. Platí tu stejná zásada, s jakou se přistupuje k jiným geneticky modifikovaným organizmům. Rizika je nutné hodnotit případ od případu, pro konkrétní organizmus, vlohu a podmínky. Mezi odborníky panuje shoda, že při hodnocení rizik organizmů šířících vlohy mutagenní řetězovou reakcí lze vyjít ze systémů hodnocení rizika, jaké se již používají pro tradiční geneticky modifikované organizmy. Tato pravidla bude nutné doplnit například o důkladnější systémy molekulárních identifikace nebo monitoringu. Ozývají se ale i názory, že organizmy s vlastnostmi šířícími se mutagenní řetězovou reakcí nelze spolehlivě posoudit a jejich použití by proto mělo být zakázáno na základě principu předběžné opatrnosti.

Zda a jak se metoda mutagenní řetězové reakce uplatní v ochraně zemědělských plodin, ukáže čas. Dá se ale předpokládat, že řada zemí tuto technologii využije. A je téměř jisté, že země Evropské unie budou přistupovat k ochraně rostlin mutagenní řetězovou reakcí hmyzích škůdců velmi rezervovaně.