Zvětšit obrázek

Šedavka kukuřičná (Helicoverpa zea)

Delta-endotoxiny v ochraně rostlin
Bt-plodiny jsou chráněny před škůdci tzv. Bt-toxiny, jež byly původně produkovány bakterií Bacillus thuringiens. Bakterie byla objevena v roce 1901 poté, co zdecimovala japonské chovy bource morušového. Od roku 1918 je známo, že za smrt housenek je zodpovědný krystalický protein delta-endotoxin, který bakterie Bacillus thuringiensis vytváří podle genu Cry a ukládá jej do svých spor. Housenky bource požíraly spolu s morušovým listím i spory bakterie nabité toxiny a masově hynuly. 

Bílkovinná molekula delta-toxinu obsažená ve sporách Bacillus thuringiensis sama o sobě pro hmyzího škůdce jedovatá není. V toxickou látku se mění až ve střevě hmyzu, kde se z obou jejích konců odštěpí řetězce o určité délce. Příhodné podmínky pro takové štěpení delta-endotoxinu panují především ve střevu housenek motýlů, kde vládne zásadité prostředí. Molekula vzniklá štěpením delta-endotoxinu se váže na molekuly kadherinů pokrývajících povrch buněk hmyzího střeva. Navázané Bt-toxiny se následně shluknou a vytvoří ve střevní stěně otvor. Hmyz pak hyne obvykle během 2 až 5 dní. Příčinou smrti je buď  těžké poškození střeva a následné hladovění nebo průnik bakterií narušenou střevní sliznicí dále do těla, kde vyvolají sepsi.

Důležité bylo zjištění, že spory bakterie a jejich delta-endotoxin nevyvolávají zdravotní potíže ani u lidí ani u jiných živočichů včetně domácích zvířat. Dalším významným objevem bylo zjištění, že bílkovinné molekuly delta-endotoxinů působí specificky jen na určité skupiny hmyzu. Namnožené bakterie Bacillus thuringiensis se proto záhy začaly používat jako insekticidy k ochraně polí, luk, lesů nebo skleníků. Jejich obliba neopadla dodnes.
Geneticky modifikované plodiny získávají odolnost ke hmyzím škůdcům díky genu Cry přenesenému do genomu rostliny metodami genového inženýrství z bakterie Bacillus thuringiensis. Rostlina vyrábí podle genu přesně určený typ delta-endotoxinu. Hmyzí škůdci, kteří se pokusí živit na těchto rostlinách, konzumují i delta-enodotoxin a otráví se jím.
Geny Cry jsou vybírány tak, aby chránily rostlinu jen proti úzké skupině hmyzu, například proti housenkám motýlů nebo proti larvám brouků. Zdravotní nezávadnost takto chráněných geneticky modifikovaných plodin byla opakovaně prokázána.

Zvětšit obrázek

Rezistence na ekologické insekticidy
Delta-endotoxiny z Bacillus thuringiensis, ať už jsou používány ve formě ekologických insekticidních postřiků nebo v geneticky modifikovaných Bt-plodinách, vytvářejí na populace škůdců silný tlak. Ten dramaticky zvýhodňuje nositele takových  mutací dědičné informace, jež zaručují odolnost k toxinům.

„Téměř nevyhnutelně musí dojít k nárůstu rezistence k Bt-toxinům,“ varoval americký entomolog Bruce Tabashnik z University of Arizona v Tucsonu.
Hmyz odolný k Bt-toxinům se nejprve objevil na polích a ve sklenících, kde byly používány delta-endotoxiny ve formě ekologických insekticidních postřiků.  Jde například o motýly zápředníčka polního (Plutella xylostella) a kovolesklece cizokrajného (Trichoplusia ni). Housenky obou druhů patří ke škůdcům zeleniny. Další motýl rezistentní k Bt-toxinům je skladištní škůdce zavíječ paprikový (Plodia interpunctella) nebo významný škůdce bavlníku  černopáska Heliothis virescens.

V porostech geneticky modifikovaných plodin, jež si syntetizují toxiny bakterie Bacillus thuringiensis samy, se rezistence u škůdců dlouho neprojevovala.
Mnozí odborníci očekávali nástup rezistence hmyzích škůdců k Bt-plodinám během dvou nebo tří let od začátku jejich pěstování. Měli k tomu dobrý důvod. Bt-plodiny se rychle šířily světem. Za posledních deset let se ve světě pěstovaly Bt-odrůdy geneticky modifikovaného bavlníku a kukuřice vzdorující hmyzu na 162 milionech hektarů.
„Byla to nejmasovější selekce hmyzu na odolnost, jakou jsme kdy podnikli,“ říká Bruce  Tabashnik.

Bruce Tabashnik provedl velmi důkladný průzkum na amerických bavlníkových plantážích, kde se pěstuje ve velkém geneticky modifikovaný bavlník, jemuž zajišťuje delta-endotoxin odolnost k makadlovce bavlníkové (Pectinophora gossypiella). Zjistil, že se rezistentní   makadlovky na plantážích s Bt-bavlníkem nešíří.
„Nechce se tomu ani věřit, ale je to tak,“ řekl Tabashnik o svém zjištění.

Bruce Tabashnik, University of Arizona

První rezistence na Bt-plodinu
Teprve po sedmi letech narazil Bruce Tabashnik na plantážích s Bt-bavlníkem na první exempláře housenek můry šedavky kukuřičné, které mají zvýšenou odolnost z delta-endotoxinu syntetizovaného podle genu Cry1Ac. Během tří let rezistence sílila a dnes mají některé linie šedavek citlivost k delta-enodotoxinu Cry1Ac sníženou více než tisíckrát. Přesto není podle Tabashnika situace nijak tragická.

„Odolnost se vyvinula jen u jednoho druhu škůdce a jen v jedné části Spojených států,“ shrnuje Tabashnik výsledky studie zveřejněné v prestižním vědeckém časopise Nature Biotechnology. „Další škůdci si odolnost nevyvinuli. Vnímavost  si udržuje dokonce i většina populace šedavky kukuřičné.“

Odolné šedavky se objevily na území států Mississippi a Arkansas, kde nepatří k významným škůdcům. Farmáři vznik odolných můr na výnosech bavlny nijak nepocítili. K odhalení rezistentních šedavek došlo jen díky citlivým laboratorním testům.
Z výsledků studie vyplývá, jak je při pěstování Bt-plodin důležitá správná agrotechnika. Farmáři preventivně brání rozšíření rezistentních škůdců tím, že v blízkosti porostů geneticky modifikovaných plodin pěstují i geneticky nemodifikované odrůdy a vytvářejí tzv. refugia. Na těch není populace škůdců vystavena selekčnímu tlaku a rezistentní jedinci nezískávají žádné výhody. Rezistentní jedinci z polí s geneticky modifikovanou plodinou se páří s vnímavými jedinci z refugií. Kříženci jsou ke geneticky modifikované plodině vnímaví a hynou. Tak se populace odolných škůdců stále zbavuje.

V oblastech, kde farmáři tuto preventivní strategii dodržují, nebyl výskyt rezistentního škůdce zaznamenán. Taktika refugií něco stojí. Na porostech s tradičními odrůdami bavlníku riskuje farmář vyšší výskyt škůdců a někdy i značné ztráty. Pokud jim chce zabránit, musí sáhnout po drahých chemických insekticidech. Pěstování Bt-plodiny je z hlediska výnosu jistější. Je pravděpodobné, že pěstitelé bavlníku v Mississippi a Arkansasu podlehli pokušení ochranné geneticky nemodifikované porosty omezit pod doporučenou mez.

Zvětšit obrázek

Mapa konstruktu (pSM6), obsahujícího geny pro cry1Ac a cry2A, se kterým se provádí přenos genů a tvorba dvoutoxinové rostliny. (Kredit: EJB, Unesco)

Ochrana pomocí refugií je účinná proti rezistenci získávané recesivními mutacemi. V tom případě jsou heterozygotní kříženci rezistentních a vnímavých linií  škůdce k delta-endotoxinu Bt-plodiny stále vnímaví. Hynou a nepřenášejí recesivní mutaci na potomky. Tabashnik nevylučuje, že nově objevená rezistence americké šedavky kukuřičné je podmíněna dominantní mutací. To by její další případnou kontrolu mohlo zkomplikovat.  Ale ne zásadně.
Šedavka získala rezistenci na delta-endotoxin syntetizovaný podle genu Cry1Ac. Zůstává však plně vnímavá k dalšímu delta-toxinu, který je cílen na housenky motýlů a je syntetizován Bt-plodinami s genem Cry2Ab. Ve Spojených státech je Bt-bavlník s genem Cry1Ac již na ústupu. V roce 2006 byl pěstován na 2,5 milionech hektarů a v roce 2007 klesly jeho plochy na polovinu. Je to reakce na fakt, že registrace Bt-bavlníku s genem Cry1Ac firmy Monsanto vyprší v roce 2009. Na plantážích se začíná pěstovat nový typ Bt-bavlníku vybavený geny Cry1Ac a Cry2Ab, který produkuje hned dva různé endotoxiny. Vznik rezistence na kombinaci dvou delta-endotoxinů je mnohonásobně nepravděpodobnější, než vznik rezistence u „jednotoxinových“ odrůd. Tabashnik nicméně upozorňuje na fakt, že pro šedavky rezistentní na Bt-toxin syntetizovaný podle genu Cry1Ab představují „dvoutoxinové“ Bt-bavlníky stejnou překážku, jakou jsou pro jiné škůdce „jednotoxinové“ Bt-plodiny. Vyvíjejí se i zcela nové typy Bt-toxinů určené zatím jen pro insekticidní postřiky, které by měly účinkovat proti škůdcům se všemi typy rezistence na delta-endotoxiny. Zda se uplatní i u Bt-plodin není jasné.