С CRISPR и микробами против неурожаев
Повышение устойчивости ослабляет оружие сельского хозяйства в борьбе с насекомыми, сорняками и патогенами. Новые подходы из биологии могут помочь. Но генная инженерия может также создать растения, еще более устойчивые к гербицидам, и увеличить их использование.
Каждое утро Брок Золлер смотрит прогноз погоды. Как и все фермеры в Калифорнии, в последние годы он пережил сильную засуху. В 2017 году противоположное вызывает проблемы. Здесь, в Келсивилле, в первые несколько месяцев года выпало больше дождя, чем за весь предыдущий год. Золлер выращивает виноград и грецкие орехи и сдал часть земли в аренду другим, кто выращивает там груши. Погода задержала обрезку, и зимнее распыление репеллентов для борьбы с вредителями также пришлось отложить. Если весенние дожди продолжатся, сочетание тепла и влажности будет способствовать росту грибков и бактерий. Поэтому Золлер уже подозревает, что вскоре ему придется использовать несколько пестицидов для защиты своих растений.
Но выбор становится все меньше и меньше, потому что сопротивления развиваются все больше и больше. Бактериальный ожог - это бактериальное заболевание растений, вызывающее внезапное увядание листьев груши. Обычно антибиотики здесь работают достаточно хорошо, но если их применять слишком часто, эффект снижается. Парша груши также вызывается грибком, который вызывает неприглядные коричневые пятна на плодах и контролируется различными фунгицидами в течение вегетационного периода. Золлер также работает консультантом по борьбе с вредителями и знает, что некоторые вещества перестают действовать уже после одного применения.«Сопротивление возникает невероятно быстро», - говорит он. «Мы можем только надеяться, что дождя не будет слишком много и что мы сможем хорошо пережить сезон с тем арсеналом, который у нас есть».
Фермеры во всем мире жалуются на устойчивость к обычным пестицидам, используемым для защиты от насекомых, сорняков и патогенов растений. Основанная в Брюсселе отраслевая ассоциация CropLife International поддерживает исследования устойчивости к патогенам; На сегодняшний день устойчивость по крайней мере к одному синтетическому пестициду была продемонстрирована у 586 видов членистоногих, 235 видов грибов и 252 сорняков. Однако это только те случаи, которые пока официально признаны и описаны учеными. Агрохимическая промышленность десятилетиями выводила на рынок новые вещества взамен старых. Но для многих культур воздух постепенно становится разреженным. Открытие и разработка новых пестицидов «за последнее десятилетие упали почти до нуля», - говорит Сара Олсон, директор по анализу исследований в компании Lux Research в Бостоне, штат Массачусетс, которая специализируется на новых технологиях. Это связано с тем, что новые химикаты трудно и дорого найти, и как только продукт используется в сельском хозяйстве, особенно если он используется неразумно, вредители немедленно вырабатывают устойчивость к нему.
"Быстрое развитие резистентности является реальной движущей силой поиска альтернатив" (Сара Олсон)
Чтобы сократить или даже избежать использования синтетических пестицидов на полях, ученые сейчас ищут альтернативы. Здесь особенно интересны решения из биологии, поэтому смотрят на микроорганизмы, генную инженерию и биомолекулы, в разработку которых крупные химические компании уже вкладывают значительные средства. Конечно, это никоим образом не означает конец синтетических пестицидов, но, возможно, можно было бы использовать новые варианты для сдерживания распространения резистентности. Расходы фермеров также могут быть сокращены, полевые работники лучше защищены, а население будет все больше беспокоиться об использовании все большего количества синтетических веществ.«Быстрое развитие резистентности является реальной движущей силой поиска альтернатив», - объясняет Олсон. «Большую часть времени речь идет не о выборе между химическими, биологическими или другими вариантами - это скорее осознание того, что новые инструменты можно использовать для гораздо более конкретных действий против вредителей».
В начале 20-го века таинственная эпидемия уничтожила ценного тутового шелкопряда по всей Японии. Еще в 1901 году бактериолог Ишивата Шигетане описал в качестве причины неизвестную почвенную бактерию в мертвых шелкопрядах. Десять лет спустя биолог Эрнст Берлинер из Тюрингии обнаружил бактерию в гусеницах мучной моли, известного вредителя. В своем описании он назвал убийцу насекомых Bacillus thuringiensis (Bt). Белки, вырабатываемые Bt, проникают в кишечник различных видов насекомых и десятилетиями используются в качестве природного пестицида. Ученые долгое время искали новые микроорганизмы для использования в качестве убийц вредителей.«Ко времени, когда я учился почти 45 лет назад, это не было совершенно новой областью», - говорит Роджер Бичи, биолог и фитопатолог из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, штат Миссури..
А между тем микроорганизмов в качестве помощников в агрохимии становится все больше. В 2012 году Bayer CropScience купила AgraQuest, разработчика биопестицидов в Дэвисе, Калифорния, за 425 миллионов долларов. Другие транснациональные корпорации, включая DuPont, Monsanto и Syngenta, также инвестировали в эту область за последние несколько лет. Бичи считался пионером в разработке генетически модифицированных культур и занялся бактериальным бизнесом вместе с бостонским стартапом Indigo Agriculture. Исследователи из Indigo хотят использовать определенные бактерии для улучшения эндобиома растений, то есть всех микроорганизмов, которые живут в тканях растений. Исследователи хотят использовать их для разработки своего рода оболочки для семени. Если молодой росток должен пробиться сквозь эту твердую оболочку, чтобы прорасти, он оставляет на ней крошечные царапины, которые хорошие бактерии могут использовать для колонизации растения и защиты от стресса окружающей среды, такого как засуха. Компания заявляет, что в 2016 году привлекла $100 млн в виде грантов.
Фермеры готовы к чему-то новому
Конечно, Indigo не хочет комментировать особый бактериальный штамм. Но несколько фермеров уже посеяли семена с покрытием на 50 000 акров хлопковых и 20 000 акров пшеничных полей в США. Конечно, это не идет ни в какое сравнение с 4 миллионами гектаров, засеянными хлопком, и 21 миллионом гектаров, засеянными пшеницей в США в 2016 году, но это показывает, что люди готовы пробовать новое. Бичи изначально был старшим научным сотрудником и до сих пор входит в научный консультативный совет компании. Он говорит, что Indigo стремится показать, что эта семенная оболочка полезна и обеспечивает устойчивость к вредителям: «Я надеюсь, что в течение пяти лет будет выпущено хотя бы несколько продуктов».
Другие компании уже используют бактерии в качестве пестицидов. Marrone Bio Innovations от Davis, например, разводит бактерии и использует их вместе со своими химическими продуктами против вредителей. Компания проверила 18 000 бактериальных геномов и на сегодняшний день выпустила пять продуктов. Один из его кандидатов - штамм рода Burkholderia, производящий разные вещества в зависимости от условий культивирования: это может быть инсектицид или нематоцид (против некоторых червей) или даже гербицид. Burkholderia «обладает генетическим механизмом для производства веществ самых разных классов», - объясняет Памела Марроне, генеральный директор и основатель компании. Причина защиты растения может в конечном итоге заключаться в развитии собственных защитных механизмов растения.
Фермеры всегда скептически относились к биопестицидам, не в последнюю очередь потому, что их немного сложнее использовать, чем синтетические средства защиты растений. Например, некоторые из них очень быстро разлагаются на солнце или при воздействии высокой температуры, и они, как правило, не так сильны и эффективны, как синтетические продукты. Но это не обязательно полный отказ от предыдущих веществ. Вместо этого биопестициды предназначены для сокращения использования синтетических химикатов, говорит Марроне. Защитные бактерии «не должны работать так же идеально, как химические агенты, хотя некоторые из наших кандидатов действительно могут составить им конкуренцию», - добавляет она. «Даже если вы используете их в качестве добавки, выход и качество увеличиваются по сравнению с использованием только химикатов».
CRISPR как новая надежда и опасность
Очень мощный инструмент для редактирования генов CRISPR-Cas9 теперь предлагает новые возможности. С помощью предыдущих подходов, таких как разработка так называемых ГМО (генетически модифицированных организмов) путем введения новых генов в организмы, вредные насекомые могут быть уничтожены напрямую, а культурные растения могут быть сделаны нечувствительными к сильным гербицидам. Однако выращивать устойчивые к болезням растения сложнее. Одной из причин этого является регуляция генов устойчивости в растительных клетках. «Гены устойчивости имеют относительно небольшое распространение в природе», - говорит патолог растений Адам Богданов из Корнельского университета в Итаке, штат Нью-Йорк. Если они станут слишком активными, они могут повредить растение. В обычных ГМО невозможно контролировать, где добавленный ген интегрируется в геном. Однако это было бы важно, потому что гены устойчивости не экспрессируются правильно, если они вставлены не в то место. Богданов объясняет, что CRISPR особенно полезен, потому что он «может точно определить место вставки и, таким образом, контролировать экспрессию».
Богданов использует этот метод для выращивания риса, который по своей природе устойчив к мучнистой росе и листовой головне, двум из самых разрушительных болезней растений. Его партнер по сотрудничеству Ян Лич работает фитопатологом в Университете штата Колорадо в Форт-Коллинзе. Он хочет использовать CRISPR и другие, более старые инструменты редактирования генов, чтобы модулировать иммунную систему растений и производить рис, устойчивый ко множеству болезней, а не только к одной. Другие культуры также должны быть модифицированы с помощью CRISPR, особенно те, в которых до сих пор было разработано меньше ГМО, потому что это было слишком сложно. Ученые из Университета Рутгерса в Нью-Брансуике, штат Нью-Джерси, хотят использовать эту технологию для выращивания винограда, который не поддается ложной мучнистой росе. Кроме того, в США уже выращены помидоры, устойчивые к нескольким видам Pseudomonas и Xanthomonas, а в Пекине - вооруженный против мучнистой росы сорт пшеницы. Однако модифицировать пшеницу не так просто, потому что растения имеют три почти идентичных генома. Команде в Пекине пришлось изменить три версии гена устойчивости. С помощью CRISPR «несколько генов могут быть отключены одновременно», объясняет биолог растений и руководитель группы Цайся Гао из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук.
Промышленные исследования также ухватились за CRISPR. В сентябре 2016 года Monsanto подписала неисключительное лицензионное соглашение с Институтом Броуда в Кембридже (Массачусетс), который в феврале 2017 года выиграл патентный спор по технологии CRISPR. По словам Тома Адамса, вице-президента по биотехнологии в Monsanto, его компания в настоящее время изучает, как можно использовать CRISPR для повышения устойчивости к болезням, засухи и урожайности. Однако существует риск того, что из-за новых подходов будет использоваться еще больше пестицидов, чем раньше. По словам Адамса, редактирование генов также может привести к получению растений, еще более устойчивых к гербицидам, таких как устойчивые к глифосату сорта от Monsanto. Это, конечно, очень спорно, потому что позволяет фермерам свободно использовать глифосат и чрезмерно полагаться на него.
Заглушение генов с помощью препятствий
Задолго до того, как CRISPR пообещал изменить мир, ученые-биологи были в восторге от другого метода борьбы с вредителями: РНК-интерференции (РНКи). Здесь двухцепочечная РНК поглощается клетками, которые затем эффективно выключают определенный ген. Используя этот метод, казалось, легко очень точно нацеливаться на вредителей. «Вы начинаете с определенной последовательности генов и строите небольшие молекулы, которые мешают активности генов», - говорит Сонни Рамасвами, директор Национального института продовольствия и сельского хозяйства, агентство Министерства сельского хозяйства США, которое спонсирует различные исследования РНК-интерференции. Хитрость заключается в том, чтобы доставить молекулу в нужное место целевого гена в нужное время. Конечно, РНК должна быть распределена по всему растению, чтобы повсюду отпугнуть сосущих насекомых. Этого можно достичь с помощью генной инженерии, но это дорого и требует такого же одобрения и враждебности со стороны общественности, как и другие ГМО. Кроме того, необходимо создавать совершенно новые растения, когда вредители становятся устойчивыми к РНКи.
По мнению ученых, занимающихся исследованиями и промышленностью, возможно, было бы лучше наносить РНК-интерференцию непосредственно на листья или корни растений. Это «проще и гибче, чем трансгенные растения», - объясняет Сюексия Мяо, эксперт по взаимодействию растений и насекомых в Институте физиологии и экологии растений Шанхайского института биологических наук в Китае. В 2015 году она и ее команда смогли показать, как введение РНК-интерференции через корни риса и кукурузы защищает растения от насекомых. Однако внедрение необходимых спринклерных систем на практике может оказаться затруднительным. Проблема в том, что почва полна бактерий и ферментов, которые уничтожают РНК еще до того, как она достигнет растения. В дополнение к этому подходу Мяо также работает над спреями, которые можно использовать для нанесения РНК-интерференции непосредственно на растения и насекомых.
Такие компании, как Monsanto и Syngenta, конечно же, также заинтересованы в возможностях технологии РНК-интерференции. Monsanto планирует вывести на рынок первые разработки в середине 2020 года: продукт против медоносного пчелиного клеща Varroa destructor и продукт против блошки, поражающей масличный рапс. И Syngenta планирует выпустить свои первые продукты против колорадского жука Leptinotarsa decemlineata «в начале 2020-х годов», - говорит Стивен Уолл, который занимается регистрацией нормативных требований и безопасности продуктов для продуктов РНК-интерференции в Syngenta в Research Triangle Park, Северная Каролина.
Даже полезным насекомым можно навредить
Но технология RNAi сталкивается и с другими проблемами. Его можно использовать против некоторых видов насекомых, таких как жуки; с мотыльками и их личинками сложнее, хотя причина этого неясна. Однако вредители, чувствительные к РНКи, также могут развить резистентность. «Кажется, что природа всегда находит способ», - говорит Уолл. Со спреем РНК-интерференции «вы должны быть осторожны с другими продуктами - очень специфичными и не универсальными». Некоторые ученые также опасаются побочного ущерба, даже если РНК-интерференция поразит вредителей более непосредственно, чем пестициды широкого спектра действия. Например, РНК-интерференция может нанести вред полезным насекомым, потому что некоторые из них имеют сходные с вредителями гены. В 2013 году обзор риска технологии опубликовали ученые из Министерства сельского хозяйства США. Согласно этому, это многообещающе, но преимущества необходимо сопоставлять с «относительными экологическими рисками технологии».
По мере того, как поток пестицидов иссякает, а устойчивость продолжает расти, фермерам нужны новые варианты. Фактическая ситуация сильно зависит от культуры и фермы - на некоторых полях уже эффективен только один пестицид. «Неизбежно разовьется резистентность к этому продукту», - говорит Золлер. «И если это не дает никаких долгосрочных эффектов, фермеры просто используют его чаще. На данный момент другого варианта нет». Сейчас Золлер тестирует биопестициды, хотя их действие сильно различается. «Мы проверяем некоторые из них каждый год, потому что еще не потеряли надежду», - объясняет он. «Некоторые вещи работают один год, а не следующий год. В конце концов, их можно легко комбинировать с обычными пестицидами».
"Некоторые биопестициды не действуют в течение года и года спустя. Хорошо, когда есть много вариантов" (Брок Золлер)
Zolcher скептически относится к продаже продуктов, основанных на генной инженерии, потому что генетически модифицированные продукты всегда вызывают опасения. Другие фермеры настроены более оптимистично. «CRISPR - это будущее, если мы хотим выжить как отрасль», - сказал Тони ДиМэр, вице-президент американского производителя помидоров DiMare. По его мнению, эта техника имеет большой потенциал в борьбе с экологическим стрессом, вредителями и болезнями растений. Но технологии сами по себе не спасут фермы. Собственники по-прежнему будут полагаться на классические методы и надлежащее управление землей. Например, севооборот может прервать жизненный цикл вредителей и патогенов; Тот, кто игнорирует это и позволяет год за годом расти на своих полях одним и тем же растениям, предлагает вредителям наилучшие условия питания. Близкие насаждения могут лишить сорняки солнечного света; с другой стороны, меры обрезки обеспечивают достаточное поступление воздуха и света к растениям, чтобы влага, необходимая для роста плесени, могла испаряться.
Не только грушевые плантации в Калифорнии, которые Zoller арендует, фермеры позволяют диким растениям, таким как дикий овес, райграс и ипомея, расти между рядами деревьев. Они обеспечивают среду обитания для естественных врагов вредных насекомых, которые держат их под контролем. По мнению Золлера, необходимо учитывать все подходы - новые технологии и старые методы, чтобы защитить продукты питания и, следовательно, прибыль. Он знает, что борьба с вредителями является важной проблемой для всех культур. Фермеры также рассмотрят новые технологии. «Хорошо иметь много возможностей».