Bt-toxiny a rezistence
Novým pesticidem by se mohla stát modifikovaná verze tzv. Bt-toxinů. Ty jsou produkovány bakterií Bacillus thuringiens a právě počáteční písmena z názvu tohoto mikroba nesou ve svém názvu.
Bt-toxiny byly objeveny v roce 1918 poté, co se bakteriemi Bacillus thuringiensis v roce 1901 nakazily japonské chovy bource morušového. Housenky bource požíraly spolu s morušovým listím i spory bakterie nabité toxiny a masově hynuly. Zvířata chovaná v blízkosti bourcových farem ani lidé, kteří přicházeli s nakaženými housenkami do styku přitom netrpěli žádnými zdravotními potížemi. Už to naznačovalo, že toxiny ze spor Bacillus thuringiensis jsou pro ostatní živočichy včetně člověka zcela bezpečné. Následně se ukázalo, že bílkovinné molekuly toxinů působí specificky jen na určité skupiny hmyzu. Od tohoto objevu nebylo daleko k používání insekticidů z namnožených bakterií Bacillus thuringiensis k ochraně polí, luk, lesů nebo skleníků. Postřiky se záhy těšily jako prostředek ochrany rostlin proti škůdcům velké oblibě a ta neopadla dodnes.
Genoví inženýři posunuli frontu boje proti škůdcům pomocí Bt-toxinů dále tím, že vnesli vybrané geny z Bacillus thuringiensis do dědičné informace rostlin. Sója, kukuřice nebo bavlník si samy vyrábějí Bt-toxin ve svých buňkách. Hmyzí škůdci, kteří se pokusí živit na těchto rostlinách, konzumují i toxin a otráví se jím.
Ukázka odolnost Bt-kukuřice proti hmyzím škůdcům. Nahoře a dole jsou palice obyčejné kukuřice. Po stranách jsou palice Bt-kukuřice. Poškození palic má na svědomí čeropáska Helicoverpa zea
Toxiny z Bacillus thuringiensis, ať už jsou používány ve formě ekologických postřiků nebo v geneticky modifikovaných 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, protože v současnosti se používají stále více a více,“ říká americký entomolog Bruce Tabashnik z University of Arizona v Tucsonu.
Hmyz odolný k Bt-toxinům se už na polích a ve sklenících skutečně objevil. 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. Je zajímavé, že rezistentní motýli se objevili na polích a ve skelnících ošetřovaných ekologickým postřikem na bázi Bt-toxinů. V porostech geneticky modifikovaných plodin, jež si syntetizují toxiny bakterie Bacillus thuringiensis samy, nepředstavuje rezistence zatím žádný problém. Bruce Tabashnik nedávno provedl velmi důkladný průzkum na amerických bavlníkových plantážích, kde se pěstuje ve velkém geneticky modifikovaný bavlník, jemuž zajišťuje Bt-toxin odolnost k makadlovce bavlníkové (Pectinophora gossypiella). Zjistil, že se makadlovky odolné k Bt-toxinu na plantážích s Bt-bavlníkem nešíří.
„Nechce se tomu ani věřit, ale je to tak,“ řekl Tabashnik o svém zjištění.
Housenka zápředníčka polního se už ekologickému postřiku na bázi Bt-toxinu přizpůsobila.
Stejně tak i kovolesklec cizokrajný.
Makadlovce bavlníkové …
… však geneticky modifikovaný Bt-bavlník stále vzdoruje.
Nové Bt-toxiny
Bílkovinná molekula obsažená ve sporách Bacillus thuringiensis sama o sobě pro hmyzího škůdce jedovatá není.
Tento tzv. delta-enodtoxin se mění v toxickou látku až ve chvíli, kdy se dostane do střeva hmyzu a tam se z obou jejích konců odštěpí řetězce o určité délce. Příhodné podmínky pro takové štěpení delta-enodotoxinu panují především ve střevu housenek motýlů, kde je zásadité prostředí. Molekula vzniklá štěpením delta-endotoxinu se může vázat na molekuly pokrývající povrch buněk hmyzího střeva.
Navázané Bt-toxiny se následně shloučí a vytvoří ve střevní stěně otvor. Hmyz pak hyne obvykle během 2 až 5 dní. Příčinou smrti je buď těžké porušení střeva a následné hladovění nebo průnik bakterií narušenou střevní sliznicí dále do těla, kde vyvolají sepsi. Rezistentní hmyz má díky mutaci pozměněný gen, podle kterého se ve střevu syntetizuje bílkovina, jež je cílem pro „aktivovaný“ Bt-toxin. Bez vazby nemůže toxin hmyzu uškodit a projde bez následků celým trávicím traktem.
Tým vědců vedený Mariem Soberónem a Alejandrou Bravovou z university v mexickém Moralesu nyní vyvinul novou verzi Bt-toxinu, která působí i na hmyz, který je k tradičním Bt-toxinům odolný. Pro účinek Bt-toxinů je nezbytné, aby se spojilo několik jejich molekul. Tradiční Bt-toxiny se mohou spojit (oligomerovat) pouze po navázání na specifické molekuly na povrchu střevních buněk (tzv. kadheriny). Nová molekula postrádá úsek, který je zodpovědný za vazbu toxinu na kadherin, a přesto je s to vytvářet toxické oligomery a narušit střevo hmyzu. Účinkuje tedy bez ohledu na to, jaké molekuly si škůdce na střevních buňkách podle svých genů vyrábí či zda se kadheriny ve střevu vůbec vyskytují.
Testy účinnosti nového toxinu byly provedeny v laboratoři na laboratorně získaných housenkách makadlovky bavlníkové odolných k tradičnímu Bt-toxinu.
Drobný motýlek makadlovka patří k nejzávažnějším škůdcům bavlníku a představuje akutní hrozbu pro všechny pěstitele této ekonomicky významné plodiny. Housenky hodují uvnitř formujícího se plodu a zcela zničí tvořící se vlákna bavlny. Soberón a Bravová testovali dvě verze nového Bt-toxinu. Při testech na housenkách makadlovek, jež jsou k Bt-toxinu citlivé, se ukázalo, že nové formy Bt-toxinu mají přinejmenším stokrát vyšší účinnost než tradičně užívané Bt-toxiny. Když vědci testovali makadlovky, jež vzdorují tradičním Bt-toxinům, zabila jedna z forem nového Bt-toxinu všechny housenky.
Housenky makadlovky bavlníkové odolné k tradičním Bt-toxinům po ošetření novým Bt-toxinem hynou.
„Tyto cílené modifikace vedoucí k produkci upraveného Bt-toxinu mají obrovský význam pro kontrolu rezistence,“ ocenil výsledky mexických vědců americký entomolog David Andow z Univerity of Minnesota v St. Paul. Andow zároveň dodává, že je zapotřebí podrobit nové Bt-toxiny dalším ověřovacím testům. Teprve pak je bude možné použít jako ekologické postřiky.
Možnosti využití nových Bt-toxinů v geneticky modifikovaných plodinách zatím nejsou jasné.
Rozhodující bude to, jak se bude zkrácená bílkovinná molekula chovat v rostlině. Některé proteiny produkují rostlinné buňky jen v nízkých koncentracích a nebo je rychle rozkládají svými vlastními enzymy. Není tedy jisté, zda se podaří zajistit v geneticky modifikovaných rostlinách tak vysoké hladiny nových Bt-toxinů, aby spolehlivě chránily úrodu před škůdci.
Naštěstí nepředstavují Bt-toxiny nové generace jedinou možnost, jak řešit problémy s rezistencí. V některých zemích už se pěstují geneticky modifikované plodiny vybavené dvěma různými formami tradičních Bt-toxinů, z nichž každá se ve střevu škůdce váže na jiný typ kadherinů . Pokud se dědičná informace škůdce změní tak, že hmyz získá odolnost k jednomu Bt-toxinu, druhý toxin jej stále ještě dokáže zabít. Pravděpodobnost vzniku rezistentních škůdců se tak dramaticky snižuje. Vědci se pokoušejí najít v přírodě další zajímavé toxiny, které by bylo možné využít ve formě postřiků nebo pro tvorbu nových geneticky modifikovaných rostlin vzdorujících škůdců. Velkou naději vkládají například do toxinů bakterie Photorhabdus luminescens žijících v trávicím traktu některých hlístů. Tito hlísti se živí hmyzem. Když jej napadnou uvolní do těla oběti bakterie Photorhabdus luminescens, které svými toxiny hmyz zabijí. Na mrtvolce pak hoduje jak hlíst tak i bakterie. Pokud hmyz pozře bakterii nebo její toxiny, spolehlivě se otráví. Na využití toxinů bakterie Photorhabdus luminescens pro ochranu rostlin před hmyzími škůdci se usilovně pracuje už více než deset let.