Три академических эксперта, в том числе Ричард Э. Гудман из Программы исследований и ресурсов пищевой аллергии, пролили свет на борьбу с фитофторозом картофеля в странах Африки к югу от Сахары, начав с краткого введения в рассматриваемую культуру.
Картофель выращивают в Южной Америке более 7,000 лет. Испанские исследователи принесли их в Европу в 16 веке, где потребовалось почти два столетия, чтобы они стали широко выращиваемым продуктом питания. Сегодня он занимает третье место после риса и пшеницы. В Африку окорочка была завезена в 18 веке. В настоящее время в странах Африки к югу от Сахары (АЮС) картофель выращивают на 1.7 миллиона гектаров в 14 странах на средних и высоких высотах. Его выращивают около 7 миллионов фермеров для еды и дохода. Он приносит больше углеводов и белка на гектар по сравнению со злаками и является хорошим источником витаминов C, B12, калий и волокна.
Влияние фитофтороза (LBD) на производство картофеля
Phytophthora infestans - это водяная плесень (Oomycetes), поражающая почки и помидоры. Это вызвало ирландский голод, унесший жизни более одного миллиона человек с 1845 по 1849 год и побудивший еще два миллиона эмигрировать. Заражение побегов вызывает увядание листьев и, в конечном итоге, всего растения, в то время как клубни гниют после хранения. LBD остается основной угрозой для производства окорочков во всем мире с сокращением производства на 15-30%. При средней стоимости фунгицида на гектар в 100 долларов и средней цене в 150 долларов за тонну окорочков годовая стоимость LBD оценивается в 500-800 миллионов долларов для 14 стран-производителей картофеля в ЮАР.
Селекция на устойчивость к фитофторозу картофеля
Селекция на устойчивость перенесла гены резистентности R от диких родственников в почву для пищевых продуктов. Однако, поскольку картофель является тетраплоидом и высокогетерозиготным, практически невозможно объединить несколько генов R от диких родственников с помощью традиционной селекции, сохраняя при этом все качества элитного сорта. Потребовалось 45 лет, чтобы перенести единственный ген устойчивости R из Solanum bulbocastanum в современный сорт путем традиционного разведения.
Методы генетической трансформации за последние 30 лет обеспечивают более прямой механизм переноса в существующие элитные сорта, лишенные устойчивости к LBD. Картофель 3R был разработан Международным центром картофеля (CIP) путем переноса трех генов R, выбранных по их способности распознавать широкий спектр штаммов P. infestans, в предпочтительные для фермеров сорта, не обладающие устойчивостью к LBD.
Ограниченные полевые испытания были проведены Национальной организацией сельскохозяйственных исследований (NARO) в сотрудничестве с CIP в Уганде с 2015 года при полном соблюдении нормативных требований Национального комитета по биобезопасности (NBC). До 15 трансгенных образцов были протестированы от двух сортов в главном научно-исследовательском институте окорочков на юго-западе Уганды. Примечательно, что все трансгенные объекты картофеля 3R росли без воздействия LBD без фунгицидов, тогда как нетрансгенные сорта были опустошены. Два трансгенных растения от известного угандийского сорта Виктория были выращены в трех местах и привели к полному контролю над болезнью во всех местах. Трансгенные растения 3R Victoria были успешно выращены без фунгицидов в более чем дюжине полевых испытаний за последние пять лет.
Картофель 3R был разработан и испытан в полевых условиях в течение последнего десятилетия в самых разных средах в Нидерландах, Бельгии, Ирландии, Великобритании, Швеции, США, Индонезии и Бангладеш. На всех участках трансгенный картофель выращивали без фунгицидов и давали очень хорошие урожаи без какого-либо негативного воздействия на окружающую среду.
Ожидается, что стабильность устойчивости к LBD будет длительной, поскольку доступны дополнительные гены устойчивости (Vleeshouwers et al., 2011). Вращение трансгенных сортов с разными наборами генов устойчивости обеспечит долгосрочную устойчивость к LBD.
Безопасность 3R Victoria для здоровья человека
Безопасность многих генов R была продемонстрирована путем употребления обычных натуральных сортов картофеля, хотя и не систематическим образом.
Они принадлежат к большому семейству генов, состоящему не менее чем из 3,000 членов в каждой разновидности окорочков, что обеспечивает устойчивость и иммунитет против широкого спектра вредителей и патогенов (Jupe et al., 2013). Три гена R в Виктории были отобраны из немодифицированных фрагментов ДНК дикого Solanum bulbocastanum и Solanum venturii, которые эти селекционеры могли ввести путем скрещивания (Ghislain et al., 2019).
Гены, кодирующие R-белки, индуцируются локально в присутствии патогена, а R-белки экспрессируются в клубнях картофеля в концентрациях ниже определяемых уровней (Habig et al., 2018). Белки R не являются токсинами, которые напрямую убивают патогены. Они вызывают у картофеля локализованную реакцию, вызывая гибель клеток картофеля, лишая возбудителя питательных веществ. Потенциальная аллергенность и токсичность этих белков оценивалась путем сравнения их аминокислотных последовательностей с известными аллергенами и токсинами с использованием проверенных методологий, и результаты указывают на отсутствие необходимости в дополнительных исследованиях (Goodman et al., 2008).
Ген селектируемого маркера nptII был введен со стеком 3R-генов, и, как и в других высвобожденных трансгенных культурах, концентрация белка NPTII очень низкая. Он также имеет историю безопасного использования со 122 трансгенными сортами, одобренными для выращивания, использования в пищу или корм (EFSA 2009; Nicolai et al. 2014; http://www.isaaa.org/gmapprovaldatabase/default.asp, по состоянию на 7 июля 2019 г.). Образцы клубней из трансгенных побегов и нетрансгенного сорта (родительская линия) были проанализированы на наличие пяти основных компонентов, рекомендованных ОЭСР. Содержание влаги, сахаров (особенно редуцирующих), витамина С, золы, белка и гликоалкалоидов было в основном идентичным, и все значения находились в пределах диапазона, указанного в литературе для клубней картофеля (OECD 2015; AFSI 2019).
Экологическая безопасность трансгенного картофеля с устойчивостью к LBD
Правдоподобной гипотезы о риске экологического ущерба от события 3R Victoria не существует. Полевые исследования других трансгенных побегов, экспрессирующих R-белки, не показали различий в численности членистоногих по сравнению с обычными линиями картофеля в двух местах в течение двух сезонов (van der Voet et al., 2019).
Аналогичные полевые исследования, проведенные NARO и CIP с картофелем 3R Victoria в Уганде за последние пять лет, подтвердили отсутствие воздействия на нецелевые организмы (NTO). Мы обычно наблюдали наземные организмы, такие как членистоногие, без очевидного сокращения численности. Статистически значимых различий между участками с 3R Victoria и участками с Викторией и участками с Викторией для белокрылки, листовых минеров, жуков, тлей, красных муравьев и пауков не было, которые были единственными NTO, наблюдаемыми на полях. Наши наблюдения, хотя и ограниченные, подтверждают, что 3R Victoria не представляет опасности для окружающей среды.
Этика одобрения картофеля, устойчивого к LBD
В настоящее время фермеры с ограниченным успехом используют фунгициды для борьбы с LBD и частично устойчивыми сортами картофеля. Фунгициды, включая сертифицированные органические фунгициды на основе меди, оказывают негативное воздействие на окружающую среду, в частности, на почвенные экосистемы. Картофель 3R Victoria предлагает преимущества, заключающиеся в отсутствии нарушения окружающей среды при снижении затрат на энергию и ресурсы, необходимые для контроля LBD.
В ЮАР стоимость LBD высока, где фермы обычно занимают лишь четверть гектара, и потери 30-60% являются обычным явлением. В Уганде мы оценили преимущества внедрения 3R Victoria владельцами мелких фермерских хозяйств для увеличения их прибыли как минимум на 40%. Кроме того, картофель 3R полезен с точки зрения сокращения использования фунгицидов и выбросов углерода (Haverkort et al., 2008; Kessel et al., 2018).
Таким образом, картофель 3R Victoria является огромным преимуществом для устойчивости производства окорочков, обеспечения продовольственной безопасности, получения доходов и защиты окружающей среды. Широкое распространение сортов картофеля 3R внесет вклад как в Африку, так и в США с точки зрения целей устойчивого развития и изменения климата. Отсрочка его внедрения фермерами, выращивающими картофель, приведет к продолжению использования пестицидов и производственным потерям, что скажется на наиболее уязвимых фермерах и потребителях.
Коммерциализация картофеля 3R после утверждения
Картофель 3R Victoria в настоящее время проходит полевые испытания для получения разрешения регулирующих органов в SSA. После утверждения необходимы надлежащие методы управления, чтобы обеспечить фермерам доступность качественных семян. Поскольку картофель 3R полностью производился государственными исследовательскими организациями, платить за технологию не нужно. Тем не менее, необходимо будет продолжить разработку и поддержание высококачественных сортов окорочков для поддержания устойчивости к новым штаммам Phytophthora infestans. Если мы сделаем это, мы в конечном итоге победим LBD и его драматические последствия для хрупкой экономики владельцев мелких фермерских хозяйств в АЮС.
