Transgenní versus cisgenní

Zvětšit obrázek

Uměle navozené mutace nejsou regulovány jako genetické modifikace, i když zasahují do dědičné informace razantně a nekontrolovaně. Na snímku je trpasličí řepka (vlevo) vzniklá uměle navozenou mutací. Změny DNA při metagenezi jsou rozsáhlejší a mnohem hůře definované než při cisgenezi.

Jak transgenní tak i cisgenní rostliny vznikají s přispěním metod přenosu genů využívaným pro genetické modifikace. Do rostlin jsou vnášeny jak vlastní strukturní geny, které kódují syntézu specifické bílkoviny, tak i regulační sekvence pro tyto geny. Rozdíl mezi transgenními a cisgenními rostlinami tkví ve spektru použitých genů a dalších sekvencí dědičné informace. Cisgenní rostliny jsou vytvářeny jen přenosem genů, jež jsou vlastní danému rostlinnému druhu nebo pocházejí z blízce příbuzného druhu, který se může s daným druhem křížit za pomoci technik považovaných při šlechtění rostlin za „tradiční“.

Definice „tradičních“ technik křížení vychází z direktivy Evropské  unie 2001/18, která vypočítává techniky využívané ke šlechtění, jež nespadají pod regulaci týkající se GMO. U rostlin je z regulí pro GMO vyňato dlouhodobé křížení, opylení v podmínkách in vitro, umělé vyvolání polyploidie, umělé navození mutací a fúze protoplastů z rostlin, které se mohou křížit. Navození mutací a fúze protoplastů jsou oficiálně označeny za metody genetické modifikace, ale z regulací  omezujících využívání GMO mají výjimku.

Za cisgenní jsou považovány rostliny, do jejichž dědičné informace byly přeneseny úplné geny – tedy geny obsahující všechny introny a s připojenými regulačními a terminačními sekvencemi – z druhů, z kterých by rostliny mohly získat tentýž gen tradičním křížením. Cisgenní rostlina může nést několik takových genů.

Do transgenní rostliny byl přenesen jeden či několik genů z organismů, z nichž by se tyto geny nemohly přenést tradičním křížením. Často jde o geny či jejich části převzaté ze dědičné informace zástupců jiných říší (například geny bakterií nebo regulační sekvence z virů) nebo nejrůznější kombinace těchto sekvencí.

Současná legislativa mezi cisgenními a transgenními rostlinami nerozlišuje. Výjimku představuje pouze Kanada, jejíž legislativa hodnotí výsledné produkty šlechtění bez zvláštního zřetele na techniky, které byly k získání plodin využity. Díky tomu mají Kanaďané možnost posuzovat cisgenní rostliny méně přísným metrem než rostliny transgenní.

Zvětšit obrázek

Geneticky modifikovaný tabák nesoucí gen medúzy pro fluoreskující protein je názornou ukázkou transgenní rostliny. Medúzu s tabákem se jen tak někomu zkřížit pohlavním rozmnožování nepodaří.

Odborníci z university v nizozemském Wageningenu Henk J. Schouten, Frans A. Krens a Evert Jacobsen jsou přesvědčeni, že přísná regulace cisgenních rostlin může zcela zablokovat nebo zpomalit další výzkum na poli šlechtění lepších odrůd zemědělských plodin, zvláště za situace, kdy je k dispozici stále více genů ze zemědělských plodin a druhů, které s nimi lze křížit s využitím tradičních technik.

„Cisgenní rostliny se zásadně liší od transgenních rostlin a jejich využívání by mělo být regulováno jinak, než jak to určují pravidla pro nakládání s GMO,“ tvrdí Schouten, Krens a Jacobsen.

Stejně bezpečné jako produkt tradičního šlechtění?
Regulace nakládání s geneticky modifikovanými (GM) rostlinami je motivována faktem, že při genetických modifikacích většiny stávajících GM odrůd byly do rostlinné dědičné informace přenášeny „cizí“ geny (např. bakteriální geny zajišťující odolnost k herbicidům či hmyzím škůdcům) a že tak byl genom rostliny obohacen o zcela nový gen. Tento gen dodává rostlině vlastnosti, jaké její planě rostoucí předci neměli a jako by nezískala ani tradičními metodami šlechtěním. Pravidla regulující nakládání s GM rostlinami mají zabránit šíření cizího genu na planě rostoucí druhy a následným změnám ve vegetaci. Z tohoto hlediska je také posuzováno jakékoli uvolnění GM rostlin do životního prostředí.

Cisgenní rostliny sice vznikají cíleným přenosem dědičné informace, ale přenášený gen a jeho regulační sekvence nejsou cizí buď samotnému rostlinnému druhu nebo blízce příbuzným druhům, o kterých ji mohla získat přirozeně probíhající hybridizací. Tvorbou cisgenních rostlin není genom rostlinného druhu obohacen o zcela nový gen a rostlina nezískává zcela nové vlastnosti. V rostlině dochází jen k takovým změnám, které by mohly nastat samovolně v přírodě nebo by jich bylo možné dosáhnout tradičním šlechtěním. Cisgenní rostliny nepřinášejí rizika, která by se lišila od rizik provázejících pěstování odrůd získaných tradičními metodami. To se týká například  vlivu cisgenních rostlin na půdní ekosystémy, produkce  toxických látek nebo látek schopných vyvolat alergické reakce.

Zvětšit obrázek

Podobné „křížence“ lze vyrobit jen díky trikům grafiků.

V tom se transgenní a cisgenní rostliny zásadně liší. Podle Schoutena, Krense a Jacobsena je nakládání s cisgenními rostlinami a jejich uvádění na trh stejně bezpečné jako v případě plodin vyšlechtěných tradičními metodami a mělo by tak být i regulováno.

Nadějná cisgeneze
Tvorba cisgenních rostlin je obrovským příslibem pro šlechtění zemědělských plodin. I když je její výsledný produkt podobný rostlinám vzniklým tradičním šlechtěním,  netrpí některými jeho nectnostmi. Při křížení kulturních plodin s planě rostoucími druhy, které se provádí například za účelem zvýšení rezistence k chorobám nebo škůdcům, je genotyp vysokoprodukční  odrůdy smíšen s genotypem, který kromě žádoucích variant genů zajišťujících rezistenci nese i varianty genů nežádoucí z hlediska výnosu nebo kvality produkce. Odstranění těchto nežádoucích variant genů dalším šlechtěním je komplikované a zdlouhavé. Při tvorbě cisgenní rostliny je přenášena jen žádoucí varianta genu. Výsledná rostlina si nenese „zátěž“ nežádoucích variant genů. Šlechtění využívající tvorbu cisgenních rostlin je proto podstatně rychlejší.

To je patrné zvláště v případech, kdy je pro dosažení žádoucích vlastností zapotřebí přenést do rostliny vhodné varianty několika genů z různých planě rostoucích rostlin. Lze tak poměrně nekomplikovaně získat například rostliny, jejichž rezistence k chorobám či škůdcům je podmíněna několika geny. Takové rezistenci se původci chorob či škůdci přizpůsobují jen s velkými obtížemi.

Cisgeneze (tvorba cisgenních rostlin) se jeví jako zvláště výhodná u rostlin, jejichž kultivary a odrůdy vděčí za své vlastnosti vysoké míře heterozytnosti, jež je udržována vegetativním množením, např. brambor, jabloň nebo banánovník. Tradiční křížení by u těchto rostlin vedlo k „rozbourání“ cenné heterozygotní konstelace.

Příkladem může být přenos rezistence ke strupovitosti z planých  jabloní na vysokoprodukční odrůdy. Gen pro rezistenci Vf byl vnesen do jabloní tradičním křížením počátkem padesátých let minulého století. Nové odrůdy jabloní, které zdědily rezistenci, se ani po půl století intenzivního šlechtění úplně nezbavily nežádoucích variant genů ovlivňujících negativně chuť a texturu plodů. Nedávno byl gen Vf jabloní izolován a je připraven pro přenos do špičkových odrůd. Cisgeneze by mohla završit více než padesátileté snažení šlechtitelů o vysokoprodukční jabloně rezistentní ke strupovitosti rychleji než tradiční postup.
Podobné možnosti se otevírají pro cisgenezi při šlechtění bramboru na odolnost k plísni Phytophthora infestans. Dlouhodobě udržitelné a spolehlivé odolnosti k této ničivé plísni lze dosáhnout přenosem genů z několika blízce příbuzných druhů, např. ze Solanum demissum nebo Solanum bulbocastanum. Pokusy s přenosem genů ze Solanum bulbocastanum tradičními metodami začaly na počátku sedmdesátých let minulého století a zatím nepřinesly výraznější výsledky, protože hybridní rostliny dědí řadu nežádoucích vlastností od planého bramboru. Zcela nedávno se ale podařilo identifikovat a izolovat hned několik genů podmiňujících odolnost k plísni u Solanum demissum a ty mohou být velmi rychle a efektivně přeneseny cisgenezí do špičkových odrůd bramboru.

Zvětšit obrázek

Strupovitost jabloní řeší šlechtitelé tradičními metodami už desetiletí. A ještě hodně dlouho řešit budou.

Nabízí se pestrá škála genů
Z těchto příkladů vyplývá, že základním předpokladem pro tvorbu cisgenních rostlin je izolace a charakterizace vhodných genů z kulturních plodin a rostlin, jež se s nimi mohou přirozeně křížit. V současné době je k dispozici hned několik kompletně přečtených rostlinných genomů a stejně tak nestále dramaticky roste objem informací o jednotlivých genech nebo genových rodinách a jejich úlohách v rostlinném organismu.

Spektrum genů, které se pro cisgenezi nabízejí je už dnes velice pestré. Mnohé z těchto variant genů kulturní plodiny původně měly, ale během dlouhé empirické selekce je ztratily. Nedávno byly například v planě rostoucích pšenicích objeveny varianty genů, které zvyšují množství živin a minerálií ukládaných do zrna. Tyto varianty genů zřejmě byly součástí genomu původních primitivních odrůd, ale při šlechtění orientovaném na výši výnosů vznikly odrůdy, které je postrádají. Podobně okrasné květiny šlechtěné na vzhled květu a především na jeho trvanlivost, ztrácejí varianty genů, které jim dodávaly výraznou vůni. Dnešní moderní růže nebo karafiáty už nevoní tak, jako staré odrůdy. Je však známo hned několik variant genů, které jsou za intenzivní vůni zodpovědné a jsou připravené k použití pro cisgenezi.
O tom, zda se tyto geny při tvorbě cisgenních rostlin skutečně uplatní, rozhodně hned několik okolností. Jde o to, jak tuhé regulaci bude tvorba a využívání cisgenních rostlin nadále podléhat a jak přijme tyto rostliny a jejich produkty spotřebitel. O vztahu spotřebitele k cisgenním rostlinám  rozhodne například i to, zda budou muset být značeny jako geneticky modifikované. V neposlední řadě ovlivní budoucnost cisgenních rostlin i poměry v patentovém právu, např. dostupnost technologií pro přenos genů a možnost disponovat jednotlivými geny, které mohou být v některých zemích patentovány.

Schouten, Krens a Jacobsen jsou přesvědčeni, že by nakládání s cisgenními rostlinami nemělo podléhat stejné regulaci jako nakládání s transgenními rostlinami, i když schvalují určité testování cisgenních rostlin, např. na to, zda jejich dědičná informace  kromě cíleně přenášených genů neobsahuje i jiné geny, které by z rostliny dělaly organismus transgenní.

Změny dědičné informace po cisgenezi
Cisgenní rostliny jsou v konečné důsledku prakticky totožné s rostlinami, jaké lze získat metodami tradičního šlechtění. Proces, jakým jsou vytvářeny, se ale od procesů křížení liší. Nejde tu o spojení dvou genomů při pohlavním rozmnožování, ale o přenos cíleně vybraného genu nebo několika genů metodami genového inženýrství do dědičné informace rostliny. Schouten, Krens a Jacobsen uvádějí čtyři momenty, které považují při srovnávání cisgeneze a metod tradičního šlechtění za důležité.

Zvětšit obrázek

Cisgenní rostliny jsou velkou nadějí pro boj s plísní bramborovou.

Na první místo staví Schouten, Krens a Jacobsen skutečnost, že gen přenesený do cisgenní rostliny je zabudován na místo v DNA, které nelze předem určit. Zabudování je náhodné a vnesení genu může samo o sobě ovlivnit vlastnosti a chování okolní DNA. Může se změnit například metylace DNA, která určuje míru aktivity genů. Po cisgenezi mohou být některé původně „nečinné“ geny aktivovány a naopak původně aktivní geny mohou být „uspány“. Jsou to procesy, které jsou spojeny výhradně s přenosem genů metodami genového inženýrství? Nikoli. Zabudování genů na nová místa dědičné informace a následná změna aktivity této části DNA je zcela přirozený proces, který je například spojen s aktivitou tzv. skákajících genů čili transposonů. „Skákající geny“ jsou velmi dobře prozkoumány u kukuřice. Nedávno byl například popsán zcela přirozený „přeskok“ transposonu zvaného Helitron, který s sebou přenesl na jiné místo DNA kukuřice úsek tvořený bezmála šesti tisíci písmeny genetického kódu. Tento úsek obsahoval tři různé geny, které se najednou ocitly na zcela novém místě dědičné infromace.  K přesunům i hodně velkých úseků dědičné informace na náhodná místa v DNA tedy dochází i při použití tradičních metod šlechtění rostlin.

Riziko mutací
Druhým důležitým momentem je podle Schoutena, Krense a Jacobsena fakt, že vnesení genu může v dědičné informaci cisgenní rostliny navodit mutaci tím, že se gen zabuduje do vlastního genu příjemcovské rostliny a naruší jej. V okolí vneseného genu může docházet k dalším změnám dědičné informace, k jejímu přeuspořádání. Může dojít nejen k vyřazení původních genů z činnosti, ale i ke změně v činnosti genů. To může mít za následek změny ve vlastnostech vzniklé rostliny.

Ani v tomto případě však podle Schoutena, Krense a Jacobsena nejde o proces, který by byl specifický výhradně pro tvorbu cisgenních rostlin (cisgenezi). Aktivní transposony dokážou totéž. I ony mohou „skočit“ do fungujících genů a vyřadit je z činnosti. I transposony mohou vyvolat přeuspořádání úseků DNA v okolí místa, kam „skočily“.

Změny v uspořádání genomu rostlin vznikají i v důsledku dalších zcela přirozených procesů, jako je např. napadení rostliny původcem choroby, silný stres nebo mezidruhové křížení. V této souvislosti je důležité připomenout, že umělé navození mutací radiací nebo chemickými látkami je v současné době podle platné evropské legislativy vyňato z regulace, které podléhají geneticky modifikované rostliny. Je tedy součástí „tradičních“ metod šlechtění. Přitom jak radiace, tak i mutační chemikálie vyvolávají změny na zcela náhodných místech DNA rostliny a vedou i k přeuspořádání dědičné informace. Ani  v tomto ohledu se tedy cisgeneze od tradičních metod šlechtění v zásadě neliší.

Zvětšit obrázek

Geny z bramboru Solanum bulbocastanum lze efektivně přenést na brambor metodami genového inženýrství. Křížením lze geny přenést také. Tak jaký je rozdíl?

Uměle navozené mutace vyvolávají v dědičné informaci rostlin podstatně rozsáhlejší změny, než k jakým dochází při cisgenezi. Přesto současná legislativa nevyžaduje, aby byly tyto uměle navozené mutace blíže charakterizovány před tím, než je mutací vyšlechtěná odrůda uvedena na trh. Odrůdy vzniklé uměle navozenými mutacemi jsou přitom překvapivě početné. Za posledních 70 let bylo tímto způsobem vyšlechtěno více než 2 250 nových odrůd. Byly a jsou využívány po celá desetiletí ve více než 30 zemích jak k produkci potravin a krmiv, tak i pro dekorativní účely. Za tu dobu nebylo zjištěno, že by odrůdy vzniklé uměle navozenými mutacemi měly negativní vliv na životní prostředí  či na zdraví lidí nebo zvířat.
Schouten, Krens a Jacobsen z dosavadních zkušeností s novými odrůdami vzniklými uměle navozenými mutacemi vyvozují závěr, že vznik mutací při cisgenezi nepředstavuje významnější riziko.

Vyšší počet genů
Třetí skutečností hodnou zřetele, je podle Schoutena, Krense a Jacobsena fakt, že vnesený gen nenahradí v cisgenní rostlině odpovídající sekvenci DNA. Rostlina si uchová všechny své geny a vnesený gen má navíc. Vnášený gen se může zabudovat hned na několik míst dědičné informace. Cisgenní rostlina proto může být vybavena hned několika kopiemi téhož genu, což se může projevit na jejích vlastnostech.

Ani to není podle  Schoutena, Krense a Jacobsena jev typický výhradně pro cisgenní rostliny. Vznik kopií genů je v přírodě celkem běžný a patří k jedněm ze základních mechanismů evoluce. Samotná přítomnost několika kopií téhož genu není důvodem pro přísnější regulaci například při tvorbě polyploidních rostlin, které mají zmoženu celou dědičnou informaci. Naopak, rostliny vzniklé polyploidizací jsou vyňaty z přísné regulace, jíž podléhají geneticky modifikované rostliny, a pohlíží se na ně jako na výsledek tradičních metod šlechtění. Zmožení části či celé dědičné informace je po desetiletí využíváno ke šlechtění a ani v tomto případě nebylo zjištěno, že by tyto rostliny měly negativní účinky na životní prostředí a zdraví lidí a zvířat. Schouten, Krens a Jacobsen jsou přesvědčeni, že to plnou měrou platí i pro cisgenní rostliny.

Čtvrtým faktem, který je třeba zvážit, je možnost, že dědičná informace cisgenních rostlin bude obsahovat kromě přenášeného genu i velmi krátké cizí sekvence, které ke genu nepatří. K tomu může dojít při použití metod genového inženýrství k cisgenezi. Jde o velmi krátké úseky DNA čítají obvykle nejvýše pár desítek písmen genetického kódu. Navíc jde o sekvence, které jsou informačně „prázdné“a nic nekódují. Jejich přítomnost se na vlastnostech cisgenní rostliny nijak neprojeví. V principu je ale možné se výskytu tohoto „genetického znečištění“ vyhnout. V konečném důsledku pak při tvorbě cisgenních rostlin nebude docházet k vnášení žádné cizí DNA a to dokonce ani DNA, která nenese žádnou informaci.

Zaslouží si mírnější regulaci?

Zvětšit obrázek

Evert Jacobsen, Universita ve Wageneningen

Cisgenní rostliny vznikají metodami, jež jsou využívány pro genetické modifikace, ale v konečném důsledku se od dalších produktů genetických modifikací označovaných jako transgenní rostliny významně liší. Zatímco do dědičné informace transgenních rostlin jsou vnášeny „cizí“ geny nebo uměle vytvořené genové konstrukty, dědičná informace cisgenních rostlin je obohacena jen o „přírodní“ kompletní varianty genů pocházející z téhož rostlinného druhu nebo z druhu, s kterým se daná rostlina může křížit při použití tradičních metod šlechtění. Proto se cisgenní rostliny ve svých vlastnostech zásadně neliší od rostlin vzniklých tradičními metodami šlechtění. Cisgenní rostliny jsou s ohledem na životní prostředí a zdraví lidí i zvířat stejně bezpečné.

Legislativa Evropské unie sice považuje umělé navozování mutací a buněčnou fúzi protoplastů z rostlin, jež se mohou přirozeně křížit, za genetické modifikace, ale vyjímá je z regulací, jimž podléhají ostatní typy genetických modifikací a rostliny, jež jsou těmito modifikacemi vytvořeny. Schouten, Krens a Jacobsen jsou přesvědčeni, že cisgenní rostliny se v mnohém podobají rostlinám vzniklých uměle navozenou mutací nebo rostlinám získaným tradičními metodami šlechtění. Podle těchto předních nizozemských biologů by proto měly být cisgenní rostliny vyňaty z regulace, jíž podléhají geneticky modifikované organismy.
Některé průzkumy dokazují, že cisgenní rostliny by mohly být psychologicky přijatelnější pro spotřebitele. Ve Spojených státech bylo jen 17% dotázaných osob ochotno konzumovat zeleninu, která by v dědičné informaci nesla geny bakteriálního původu (tj. transgenní zeleninu). Zeleninu s vlastnostmi vylepšenými přenosem genů, jež jsou danému rostlinnému druhu vlastní (cisgenní zeleninu), bylo ochotno konzumovat 81% respondentů.

Zájemcům o problematiku cisgenních rostlin doporučujeme originální materiály, které posloužily jako podklady k tomuto článku:

Schouten H.J., Krens F.A., Jacobsen E.: Cisgenic plants are similar to traditionally bred plants. EMBO Reports 7, 750-753, 2006.

Schouten H.J., Krens F.A., Jacobsen E.: Do cisgenic plants warrant less stringent oversight? Nature Biotech. 24, 753, 2006.

Obě stati vyvolaly velmi bouřlivou diskusi. S argumenty jejich zastánců i odpůrců se lze seznámit např. v následujících materiálech:

de Cock Buning T., Lammerts van Bueren E.T., Haring M.A., de Vriend H.C., Struik P.C. Nature Biotech. 24, 1329-1331, 2006

Schouten H.J., Krens F.A., Jacobsen E. Nature Biotech. 24, 1331-1333, 2006.