Kieszonka K nr 10: Technologia Tolerancji Herbicydów: Glifosat i Glufosynat

Zdjęcie USDA

Chwasty są stałym problemem na polach rolników. Chwasty nie tylko konkurują z uprawami o wodę, składniki odżywcze, światło słoneczne i przestrzeń, ale także są siedliskiem owadów i chorób, zatykają systemy nawadniające i drenażowe, obniżają jakość upraw i wprowadzają nasiona chwastów do zbiorów. Jeśli nie są kontrolowane, chwasty mogą znacznie zmniejszyć plony.

Rolnicy mogą zwalczać chwasty za pomocą uprawy, ręcznego pielenia, herbicydów lub zazwyczaj kombinacji wszystkich technik. Niestety, uprawa roli pozostawia cenną wierzchnią warstwę gleby narażoną na erozję wietrzną i wodną, co w dłuższej perspektywie stanowi poważny problem dla środowiska. Z tego powodu coraz więcej rolników preferuje metody uprawy uproszczonej lub bez orki.

Podobnie, wielu twierdzi, że intensywne stosowanie herbicydów doprowadziło do skażenia wód gruntowych, śmierci kilku gatunków dzikich zwierząt, a także zostało przypisane do różnych chorób ludzi i zwierząt.

Praktyki zwalczania chwastów

Technika tandemowa uprawy gleby i stosowania herbicydów jest przykładem tego, jak rolnicy zwalczają chwasty w swoich gospodarstwach.

Zwykle uprawiają glebę przed sadzeniem, aby zmniejszyć liczbę chwastów obecnych na polu. Następnie stosują herbicydy o szerokim spektrum działania lub herbicydy nieselektywne (takie, które mogą zabić wszystkie rośliny), aby jeszcze bardziej ograniczyć wzrost chwastów tuż przed kiełkowaniem ich upraw. Ma to na celu zapobieżenie zabiciu upraw razem z chwastami. Chwasty pojawiające się w okresie wegetacji są zwalczane za pomocą herbicydów o wąskim spektrum działania lub herbicydów selektywnych. Niestety, na polu pojawiają się różne rodzaje chwastów i dlatego rolnicy muszą stosować kilka rodzajów herbicydów o wąskim spektrum działania, aby je zwalczyć. Ta metoda zwalczania chwastów może być bardzo kosztowna i może szkodzić środowisku.

Badacze postulowali, że zwalczanie chwastów można uprościć poprzez rozpylanie na polu jednego herbicydu o szerokim spektrum działania w dowolnym momencie sezonu wegetacyjnego.

Rozwój roślin tolerujących herbicydy glifosatowe i glufosynatowe

Rośliny tolerujące herbicydy (HT) oferują rolnikom istotne narzędzie w walce z chwastami i są kompatybilne z metodami uprawy bez orki, które pomagają zachować wierzchnią warstwę gleby. Dają one rolnikom elastyczność w stosowaniu herbicydów tylko wtedy, gdy są potrzebne, w kontrolowaniu całkowitego zużycia herbicydów oraz w stosowaniu herbicydów o preferowanych właściwościach środowiskowych.

Tło technologiczne

Jak działają te herbicydy?
Te herbicydy zwalczają kluczowe enzymy w szlaku metabolicznym roślin, które zakłócają produkcję pokarmu roślinnego i ostatecznie je zabijają. Jak więc rośliny wykształcają tolerancję na herbicydy? Niektóre mogły nabyć tę cechę w drodze selekcji lub mutacji; lub ostatnio, rośliny mogą być modyfikowane za pomocą inżynierii genetycznej.

Dlaczego warto rozwijać uprawy HT?
Nowością jest możliwość stworzenia stopnia tolerancji na herbicydy o szerokim spektrum działania – w szczególności glifosat i glufosynat – które będą kontrolować większość innych roślin zielonych. Te dwa herbicydy są przydatne do zwalczania chwastów, mają minimalny bezpośredni wpływ na życie zwierząt i nie są trwałe. Są bardzo skuteczne i należą do najbezpieczniejszych w stosowaniu agrochemikaliów. Niestety, są one równie skuteczne wobec roślin uprawnych. Dlatego uprawy HT są opracowywane tak, aby miały pewien stopień tolerancji na te herbicydy.

Jak działają uprawy HT z glifosatem i glufosynatem?

1. Uprawy odporne na glifosat
Habicyd glifosat zabija rośliny poprzez blokowanie enzymu EPSPS, enzymu biorącego udział w biosyntezie aminokwasów aromatycznych, witamin i wielu wtórnych metabolitów roślinnych. Istnieje kilka sposobów, dzięki którym można zmodyfikować uprawy tak, aby były odporne na glifosat. Jedną z nich jest wprowadzenie genu bakterii glebowej, który produkuje formę EPSPS odporną na glifosat. Innym sposobem jest wprowadzenie innego genu bakterii glebowej, który produkuje enzym degradujący glifosat.

2. Uprawy odporne na glifosynat
Habicydy zawierające glifosynat zawierają aktywny składnik fosfinotrycynę, która zabija rośliny poprzez blokowanie enzymu odpowiedzialnego za metabolizm azotu i detoksykację amoniaku, produktu ubocznego metabolizmu roślin. Rośliny uprawne zmodyfikowane w celu tolerowania glufosynatu zawierają gen bakteryjny, który produkuje enzym detoksykujący fosfinotrycynę i zapobiegający wyrządzaniu przez nią szkód.

Inne metody, za pomocą których rośliny uprawne są modyfikowane genetycznie w celu przetrwania ekspozycji na herbicydy, w tym: 1) wytwarzanie nowego białka, które detoksykuje herbicyd; 2) modyfikowanie białka docelowego herbicydu, aby nie był on dotknięty przez herbicyd; lub 3) wytwarzanie fizycznych lub fizjologicznych barier zapobiegających przedostawaniu się herbicydu do rośliny. Pierwsze dwa podejścia są najczęściej stosowane przez naukowców do rozwoju upraw odpornych na herbicydy.

Aspekty bezpieczeństwa technologii odpornych na herbicydy

Toksyczność i alergenność
Rządowe agencje regulacyjne w kilku krajach orzekły, że uprawy posiadające białka nadające tolerancję na herbicydy nie stanowią żadnego innego zagrożenia dla środowiska i zdrowia w porównaniu z ich odpowiednikami niezmodyfikowanymi genetycznie.

Wprowadzone białka są oceniane pod kątem potencjalnego działania toksycznego i alergizującego zgodnie z wytycznymi opracowanymi przez odpowiednie organizacje międzynarodowe. Pochodzą one ze źródeł, w których nie stwierdzono w przeszłości alergenności lub toksyczności; nie przypominają znanych toksyn lub alergenów; pełnią funkcje, które są dobrze poznane.

Wpływ na rośliny
Ekspresja tych białek nie uszkadza wzrostu roślin ani nie powoduje gorszych wyników agronomicznych w porównaniu z uprawami rodzicielskimi. Z wyjątkiem ekspresji dodatkowego enzymu w celu tolerancji na herbicydy lub zmiany już istniejącego enzymu, w roślinie nie zachodzą żadne inne zmiany metaboliczne.

Persystencja lub inwazyjność upraw
Głównym problemem środowiskowym związanym z uprawami tolerującymi herbicydy jest ich potencjał do tworzenia nowych chwastów poprzez krzyżowanie z dzikimi krewnymi lub po prostu przez samo utrzymywanie się w środowisku naturalnym. Potencjał ten jest jednak oceniany przed wprowadzeniem uprawy i monitorowany po jej zasadzeniu. Obecne dowody naukowe wskazują, że przy braku stosowania herbicydów, uprawy GMO odporne na herbicydy nie są bardziej skłonne do inwazji na polach rolnych lub w siedliskach naturalnych niż ich odpowiedniki niezmodyfikowane genetycznie (Dale i in. 2002), 2002).

Oprawy odporne na herbicydy znajdujące się obecnie na rynku wykazują niewiele dowodów na zwiększoną trwałość lub inwazyjność.

Zalety upraw odpornych na herbicydy

• Doskonała kontrola chwastów, a tym samym wyższe plony;
• Elastyczność – możliwość zwalczania chwastów w późniejszych fazach wzrostu rośliny;
• Zmniejszona liczba oprysków w sezonie;
• Zmniejszone zużycie paliwa (z powodu mniejszej liczby oprysków);
• Zmniejszone zagęszczenie gleby (z powodu mniejszej potrzeby wchodzenia na ziemię w celu oprysku);
• Użycie związków o niskiej toksyczności, które nie pozostają aktywne w glebie;
• Możliwość stosowania systemów uprawy zerowej lub konserwującej, z konsekwentnymi korzyściami dla struktury gleby i organizmów (Felsot, 2000).

Badania przeprowadzone przez American Soybean Association (ASA) dotyczące częstotliwości uprawy roli w gospodarstwach uprawiających soję wykazały, że znaczna liczba rolników przyjęła praktykę „no-till” lub „reduced tillage” po zasadzeniu odmian soi odpornych na herbicydy. To proste podejście do walki z chwastami pozwoliło zaoszczędzić ponad 234 miliony galonów paliwa i pozostawić 247 milionów ton niezastąpionej wierzchniej warstwy gleby w nienaruszonym stanie.

Obecny status tolerancji na herbicydy

Od 1996 do 2018 r. uprawy HT konsekwentnie zajmowały największy obszar nasadzeń wśród upraw biotechnologicznych. Tylko w 2018 roku uprawy HT zajmowały 87,5 mln hektarów lub 45% z 191,7 mln hektarów upraw biotechnologicznych zasadzonych na całym świecie. Najbardziej rozpowszechnione są odmiany tolerancyjne na glifosat i glufosynat. Poniższa tabela przedstawia kraje, które zatwierdziły główne uprawy HT (z pojedynczymi i spiętrzonymi genami) do żywności, paszy i/lub uprawy.

Źródło: ISAAA GM Approval Database. http://www.isaaa.org/gmapprovaldatabase/.

Przegląd literatury przeprowadzony przez Radę Nauki i Technologii Rolniczej stwierdził, że środowisko naturalne odnosi korzyści ze stosowania upraw HT. Na przykład w USA areał soi uprawianej bez orki wzrósł o 35% od czasu wprowadzenia soi HT. Podobną tendencję obserwuje się w Argentynie, gdzie pola soi są w 98% obsadzone odmianami HT. Dokument CAST zatytułowany „Comparative Environmental Impacts of Biotechnology-derived and Traditional Soybean, Corn and Cotton Crops” jest dostępny na stronie http://www.cast-science.org.

W ciągu pierwszych 21 lat komercjalizacji (1996-2016), korzyści z upraw roślin tolerujących herbicydy są wyceniane na 89,02 mld USD, 47,8% globalnej wartości upraw biotechnologicznych wynoszącej 186,1 mld USD, a w samym 2016 r. na 8,44 mld USD lub 46,4% globalnej wartości 18,2 mld USD.

1. ASA. 2001. ASA Study Confirms Environmental Benefits of Biotech Soybeans. http://www.asa-europe.org/pdf/ctstudy.pdf.
2. Brookes, G. i P. Barfoot. 2018. GM Crops: Global Socio-Economic and Environmental Impacts 1996-2016. PG Economics Ltd, UK. s. 1-204.
3. Carpenter, J.E., A. Felsot, T. Goode, M. Hammig, D. Onstad, and S. Sankula. 2002. Comparative Environmental Impacts of Biotechnology-derived and Traditional Soybean, Corn, and Crops. http://www.cast-science.org.
4. Carpenter, J.E. i L.P. Gianessi. 2001. Biotechnologia rolnicza: Uaktualnione szacunki korzyści. Narodowe Centrum Polityki Żywnościowej i Rolnej. http://www.ncfap.org/documents/updatedbenefits.pdf.
5. Dale, P.J., B. Clarke, and E.M.G. Fontes. 2002. Potential for the Environmental Impact of Transgenic Crops. Nature Biotechnology 20(6): 567-574.
6. Extension Toxicology Network. 1996. Pesticide Information Profile, Glyphosate. http://ace.ace.orst.edu/info/extoxnet/pips/glyphosa.htm.
7. Felsot, A.S. 2000. Geny odporne na herbicydy: Part 1: Squaring up Roundup Ready Crops. Agrichemical and Environmental News 173: 8-15.
8. ISAAA. 2018. Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops in 2018. ISAAA Brief No. 54. ISAAA: Ithaca, NY.
9. OECD. 2000. Consensus Document Glyphosate Herbicide Tolerance (Roundup). http://www1.oecd.org/ehs/ehsmono/roundup1.htm.
10. OECD. 2002. Module II: Herbicide Biochemistry, Herbicide-Metabolism and the Residues in Glufosinate-Ammonium (Phosphinothricin)-Tolerant Transgenic Crops. http://www.olis.oecd.org/olis/2002doc.nsf/43bb6130e5e86e5fc12569fa005d004c/
    c351fd9d795e54c1c1256bae0051a2a8/$FILE/JT00125605.PDF.

*Uaktualnione marzec 2020

.