Aρχές βελτίωσης φυτών και μοριακές προσεγγίσεις
του Γεώργιου Τζέμου Γεωπόνου M.Sc. στην Αγροτική Έκφραση που κυκλοφορεί σήμερα
Η Βελτίωση Φυτών είναι η επιστήμη και η τέχνη της δημιουργίας των ποικιλιών,δηλαδή των κατάλληλωνγενοτύπων, που αξιοποιούν τοκληρονομικό δυναμικό και τις ιδιαιτερότητες του κάθε φυτού –καλλιέργειας.
Στην πραγματικότητα είναι η δημιουργική παρέμβαση του ανθρώπου –βελτιωτή στην «ουσία» της βιολογικής ζωής, δηλαδή το κληρονομικό υλικό. Σκοπός της Βελτίωσης Φυτών είναι η αξιοποίηση του κληρονομικού δυναμικού των φυτών (γονιδίων) με τη μορφή της κατάλληλης κάθε φορά ποικιλίας, που θα εξυπηρετεί συγκεκριμένες ανάγκες (απόδοση, ποιότητα, ανθεκτικότητα κλπ.) της γεωργικής παραγωγής. Αποβλέπει σε επιθυμητούς συνδυασμούς γονιδίων, που επιτυγχάνονται με τους κατάλληλους χειρισμούς της γενετικής παραλλακτικότητας (συμβατική μεθοδολογία – χειρισμός γαμετών, σύγχρονες μεθοδολογίες – χειρισμός DNA).
Η ανάπτυξη νέων καλλιεργειών είναι το αποτέλεσμα μιας κυκλικής διαδικασίας, όπου ο κάθε κύκλος περιλαμβάνει διάφορες φάσεις.
Οι φάσεις αυτές περιλαμβάνουν:
Συγκέντρωση και δημιουργία νέας παραλλακτικότητας.
Επιλογή και έλεγχος για τον εντοπισμό νέων επανασυνδυασμών.
Απελευθέρωση, διανομή και εμπορευματοποίηση των νέων ποικιλιών.
Η πρώτη φάση περιλαμβάνει ενέργειες, όπως τη συγκέντρωση πηγών γενετικής παραλλακτικότητας για τις κύριες ενέργειες της βελτίωσης, από προσαρμοσμένες ή εξωτικές πηγές και τον ανασυνδυασμό αυτών των πηγών γενετικής παραλλακτικότητας για τη δημιουργία νέων γονιδιακών συνδυασμών, με διασταυρώσεις ή με τη βοήθεια της γενετικής μηχανικής.
Στο στάδιο της επιλογής, οι βελτιωτές αντιμετωπίζουν το θέμα του χρόνου που γίνεται η επιλογή, του περιβάλλοντος και του αριθμού των χρόνων και των τοποθεσιών, που γίνεται ο έλεγχος. Τελικά, δεν θα πρέπει να παραβλέπεται η απελευθέρωση και η διανομή των νέων καλλιεργειών. Η κατοχή ενός νέου ανώτερου γενότυπου δεν είναι μια εγγύηση για την επιτυχία δημιουργίας μιας βελτιωμένης καλλιέργειας.
Ποιες οι αδυναμίες της κλασσικής – συμβατικής προσέγγισης και ποια τα αντίστοιχα οράματα – υποσχέσεις της μοριακής προσέγγισης.
Η κλασσική βελτίωση είναι μία χρονοβόρα διαδικασία εισαγωγής γονιδίων, σε σχέση με τη γενετική μηχανική (Gepts 2002). Η εισαγωγή ενός γονιδίου χωρίς τη χρήση δεικτών απαιτεί τουλάχιστον έξι αυτογονιμοποιήσεις, ενώ με τη χρήση δεικτών ο αριθμός μειώνεται στο μισό. Η εφαρμογή επαναδιασταύρωσης με μοριακούς δείκτες κάνει αποτελεσματικότερη την επιλογή επιυμητών γενοτύπων και μειώνει τον αριθμό των απαραίτητων γενεών επαναδιασταύρωσης.
Εκτός από το θέμα του χρόνου, στην κλασσική βελτίωση δεν υπάρχουν οι αρκετές γνώσεις πάνω στα πραγματικά γονίδια που εισάγονται. Υπάρχει η πιθανότητα, ταυτόχρονα με την εισαγωγή ενός γονιδίου με αυτογονιμοποίηση να εισαχθούν και άλλα άγνωστα γονίδια, φαινόμενο που ονομάζεται φορτίο σύνδεσης (linkage drag). Αυτά τα γονίδια μπορεί να ελέγχουν τη σύνθεση επιβλαβών ενώσεων ή να εκφράζουν ανεπιθύμητα χαρακτηριστικά. ακόμη, οι διασταυρώσεις των υπό βελτίωση ποικιλιών με άγριες μπορούν να επανεισάγουν ανεπιθύμητα χαρακτηριστικά, τα οποία απομακρύνθηκαν σε προηγούμενες βελτιώσεις.
Η αρχή της εποχής της βιοτεχνολογίας (τέλη δεκαετίας 1970) χαρακτηρίζεται από την τεχνολογία του ανασυνδιασμένου DNA, που δημιούργησε τις προϋποθέσεις χειρισμού του γενώματος σε επίπεδο απλού γονιδίου. Έτσι, έγινε εφικτή η μεταφορά, ενσωμάτωση και έκφραση γονιδίων στα φυτά από άλλα επίπεδα ζωής (μικροοργανισμούς κατ’αρχήν) με αποτέλεσμα τη μοριακή γενετική τροποποίηση και την αξιοποίησή της με τη δημιουργία των δια-γονιδιακών ποικιλιών. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργήθηκαν διαγονιδιακές ποικιλίες καλαμποκιού, βαμβακιού και σόγιας με ανθεκτικίτητα σε προσβολές ορισμένης κατηγορίας εντόμων (ποικιλίες Bt) ή σε ζιζανιοκτόνα ευέως φάσματος (ποικιλίεςGR) ή συνδυασμό Bt και GR καλλιεργούνται με επιτυχία στις Η.Π.Α. και άλλες χώρες, εκτός της Ε.Ε.
Η μοριακά γενετικά τροποποιημένη ποικιλία χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια ως πηγή (δότης) προκειμένου το διαγονίδιο ή διαγονίδια να ενσωματωθούν στις εμπορικά επιτυχημένες (αγρονομικά αποδεκτές) ποικιλίες με την κλασσική μέθοδο επαναδιασταύρωσης. Επομένως στην ουσία πρόκειται για αυξημένη αποτελεσματικότητα της κλασσικής βελτιωτικής μεθοδολογίας επαναδιασταύρωσης, που αξιοποιεί τη μοριακή γενετική τροποποίηση, επιτρέποντας το χειρισμό του γενώματος σε επίπεδο συγκεκριμένου γονιδίου.
Η εποχή της βιοτεχνολογίας, εκτός από τη συμβολή της στη δημιουργία διαγονιδιακών ποικιλιών, προσέφερε ήδη και προσφέρει πολύ περισσότερα στη διαμόρφωση μιας ολοκληρωμένης και πλέον αποτελεσματικής βελτιωτικής μεθοδολογίας γενετικής τροποποίησης. Συγκεκριμένα, η αλληλούχιση του γενώμετος, η αναγνώριση γονιδιακών σχέσεων ποσοτικών χαρακτηριστικών (QTL) και η δημιουργία των ποικίλων τύπων μοριακών δεικτών (RFLP, AFLP,RAPD, SSR, SNP) αξιοποιούνται ήδη στη μεθοδολογία της επαναδιασταύρωσης, που γίνεται έτσι πλέον αποτελεσματική και χρονικά συντομότερη. Οι μοριακές τεχνικές χειρισμού των γονιδίων ενσωματώνονται προοδευτικά, όσες απ’αυτές είναι εφικτό, στη συμβατική βελτιωτική μεθοδολογία με σκοπό να γίνει αυτή πιο αποτελεσματική και ευέλικτη. Ενδιαφέρουσα αναμένεται να είναι η συμβολή της μελέτης της έκφρασης των γονιδίων σε επίπεδο πρωτεϊνών (proteomics) κατ’αρχήν στην κατανόηση των λειτουργιών σε επίπεδο φυσολογίας του φυτού, που ενδεχομένως θα επιτρέψει παρεμβάσεις και γενετική τροποποίηση σε βασικές λειτουργίες της φυσιολογίας του φυτού, όπως η φωτοσυνθετική ικανότητα.
Το πρόβλημα της συνύπαρξης «μεταλλαγμένων-μοριακά τροποποιημένων» και συμβατικών ποικιλιών.
Η πιθανότητα διαφυγής γονιδίων με τη βοήθεια της γύρης σε μεγάλες αποστάσεις είναι ένα θέμα που απασχολεί τους ερευνητές,
το οποίο συνδέεται με την απελευθέρωση τροποποιημένων ποικιλιών σιταριού. Έχει δημιουργηθεί μια ποικιλία γενετικά τροποποιημένων γονιδίων (Janakiraman et al 2002), όμως δεν έχει διατεθεί στο εμπόριο. Με την προσδοκία της απελευθέρωσης των γενετικά τροποιημένων ποικιλιών σίτου γίνονται δοκιμές στον αγρό για την κατανόηση της ροής γονιδίων και των αγρονομικών θεμάτων, που αφορούν στην πιθανή εμπορευματοποίηση του τροποποιημένου σίτου. Έρευνες που έγιναν, δεν έδειξαν ροή γονιδίων, δηλαδή ανταλλαγή γονιδίων μεταξύ διαφορετικών όμως συγγενικών πληθυσμών σε μεγάλες αποστάσεις. Στο σιτάρι η γονιδιακή ροή εξαρτάται από την υποδεκτικότητα του στίγματος, τη ζωτικότητα της γύργης και τη διαθεσιμότητά της κατά την υποδεκτική περίοδο (Johnson and Schmidt 1968, Waines and Hegde 2003).
Αυτοί οι παράγοντες ποικίλουν ανάλογα με τον γενότυπο και το περιβάλλον ανάπτυξης (de Vries 1971, 1972, 1974).
Τα αποτελέσματα της έρευνας των Matus– Gadiz (2004) δείχνουν ότι η ροή γονιδίων το εαρινό σιτάρι είναι σχετικά χαμηλή, όμως υπάρχει ένα μη ρεαλιστικό επίπεδο ανθεκτικότητας διαγονιδιακού σιταριού σε μη διαγονιδιακό, της τάξης του 0%.
Οι επιστήμονες στα πανεπιστήμια και στις εταιρείες βιοτεχνολογίας εργάζονται για να δημιουργήσουν διαγονιδιακές καλλιέργειες που να έχουν βιολογικούς φραγμούς κατά της ροής γύρης. Κάποιοι πιθανοί βιολογικοί φραγμοί που μπορούν να γίνουν γεωργικά εφικτοί είναι ανδροστειρότητα των διαγονιδιακών καλλιεργειών, ή έλεγχος του χρόνου άνθησης για να εμποδιστεί η σταυρογονιμοποίηση (Daniel, 2002; Eastman and Sweet, 2002).
Ακόμα, οι γεωργοί μπορούν να υιοθετήσουν αγρονομικές πρακτικές που να εμποδίζουν την ροή γύρης, όπως μεγάλες αποστάσεις μεταξύ των καλλιεργειών, καλλιέργειες φράκτες, ή αγρονομικές ζώνες για διαγονιδιακέςn ή μη καλλιέργειες (Kershen, 2004).
Η πιθανή αξιοποίηση των διαγονιδίωνσε προγράμματα recurrentselection.
Ποιες ομοιότητες ή διαφορές υπάρχουνμε τη συμβατική recurrentselection που αξιοποιεί τους φυσικούς πολυμορφισμούς.
Η φαινοτυπική κυκλική επιλογή χρησιμοποιήθηκε από τους Schmidt et al (2004) για να προσδιοριστεί κατά πόσο η κυκλική βελτιωτική μεθοδολογία είναι εφαρμόσιμη στα διαγονίδια, και για να μελετήσουν την επιλογή για υψηλή έκφραση των διαγονιδίων στο λευκό τριφύλλι. Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας έδειξαν ότι η έκφραση των διαγονιδίων φαίνεται πως είναι ένα χρήσιμο ενδεχόμενο στα βελτιωτικά προγράμματα.
Για πολλές καλλιέργειες, που πολλαπλασιάζονται με σπόρο, μεμονωμένα διαγονίδια έχουν πάρει έγκριση διακίνησης στοεμπόριο. Αυτά τα γονίδια επαναδιασταυρώθηκαν με μια ποικιλία διαφορετικού γενετικού υποστρώματος. Ωστόσο, δεν υπάρχουν στρατηγικές ανάπτυξης διαγονιδίων σε σταυρογονιμοποιούμενα είδη, σε πολυετείς καλλιέργειες, όπως είναι οι χορτοδοτικές.
Οι τελευταίες συνήθως παράγονται με τη μορφή συνθετικών καλλιεργειών από τη διασταύρωση δεκάδων ίσως και εκατοντάδων βελτιωμένων γονέων. Συνήθως αποφεύγονται οι επαναδιασταυρώσεις, αφού απαιτείται επαναδιασταύρωση του κάθε διαγονιδίου με κάθε γονέα. Για να ξεπεραστούν οι περιορισμοί, που σχετίζονται με την παραδοσιακή επαναδιασταύρωση, έχει σχεδιαστεί μια στρατηγική διαγονιδιακής επαναδιασταύρωσης (Micallef et al 1995) και συνεπώς χρησιμοποιούνται διαφορετικοί γονείς για την κάθε επαναδιασταύρωση.
Αυτή η στρατηγική βασίζεται στην προϋπόθεση ότι παράγεται ένα διαγονίδιο για την αποφυγή ή κάλυψη κάποιων γονιδίων (Matzke and Matzke 1990).
Αν τα διαγονίδια σε κάθε θέση δεν αλληλοκαλύπτονται, μπορεί να εφαρμοστεί μια άλλη στρατηγική, που αποτελείται από απλή διασταύρωση πολλαπλών, ανεξάρτητων μεμονωμένων διαγονιδίων, τα οποία έχουν το ρόλο των γονέων μιας συνθετικής καλλιέργειας και χρησιμοποιούνται για την επιλογή και έκφραση γονιδίων. Προηγούμενες έρευνες στον καπνό, που εκτίμησαν τα επίπεδα της β-glucurondidase (GUS), έδειξαν ότι παρόλο που κάποια διαγονίδια σε κάποιες θέσεις μπορούν να αλληλοκαλυφθούν όταν διασταυρώνονται στο ίδιο φυτό, άλλες διαγονιδιακές θέσεις έχουν την ικανότητα να δράσουν προσθετικά και να αυξήσουν τη συνολική έκφραση των διαγονιδίων του φυτού (Conner et al 1998, Nap et al 1997).
Θα πρέπει να είναι δυνατή η χρήση των βελτιωτικών τεχνικών του φυτού για την αύξηση της έκφρασης των διαγονιδίων με την επιλογή για γενετικό υπόστρωμα, που υπονοεί τη διαγονιδιακή έκφραση και/ή με την επιλογή ή συσσώρευση των διαγονιδιακών θέσεων, που έχουν την ικανότητα να δρουν προσθετικά.
Τα προβλήματα των δικαιωμάτων βελτιωτή (πατέντα) και οι νομικές διαμάχες.
Καθώς στην Αμερική υιοθετούνται φυτά δημιουργημένα με τη βοήθεια της βιοτεχνολογίας, προκύπτουν ερωτήματα για τα νομικά ρίσκα που συνοδεύουν αυτή την υιοθεσία των τροποποιημένων καλλιεργειών. Συγκεκριμένα, από το άρθρο του Kershen (2004), προκύπτουν ερωτήματα για το είδος των ζημιών που μπορούν να εμφανιστούν και να υπονοούν νομική ευθύνη, που σχετίζεται με την ανάπτυξη των τροποποιημένων καλλιεργειών. Ακόμα, υπάρχουν ερωτήματα για το είδος των δικαιωμάτων των πατεντών που υπάρχουν, τα οποία μπορεί να δημιουργήσουν νομικές ευθύνες στους παραγωγούς.
Οι νομικές ευθύνες για τις ζημιές θα πρέπει να δημιουργηθούν με ρυθμιστική
έγκριση. Η ρυθμιστική έγκριση επικεντρώνεται στο αν μια τροποποιημένη
καλλιέργεια, ένας μικροοργανισμός ή ένα ζώο είναι ασφαλή για τον άνθρωπο και το περιβάλλον. Η ρυθμιστική έγκριση ασχολείται με το αν και κάτω από ποιες συνθήκες μπορούν να παραχθούν, να σημανθούν και να χρησιμοποιηθούν καλλιέργειες και ζώα με τη βοήθεια της βιοτεχνολογίας. Αντίθετα, πριν ή μετά τη ρυθμιστική έγκριση ένα συγκεκριμένο τροποποιημένο φυτό, μικροοργανισμός ή ζώο θα μπορούσε να προκαλέσει ζημιά στην ιδιοκτησία, στους ανθρώπους, στο εμπόριο, στο περιβάλλον ή σε δημόσιες κατασκευές.
Οι γεωργοί μπορεί να έρθουν αντιμέτωποι με νομικές ευθύνες της γεωργικής
βιοτεχνολογίας και με νομικές αντιδικίες για πνευματικές ιδιοκτησίες. Πιο συγκεκριμένα, εταιρείες που δημιουργούν διαγονιδιακές καλλιέργειες έχουν δικαιώματα πνευματικής ιδιοκτησίας, κοινώς «πατέντες», σε αυτές τις καλλιέργειες και μπορούν να ενεργούν νομικά κατά των γεωργών που
καλλιεργούν τις διαγονιδιακές καλλιέργειες χωρίς την άδεια της εταιρείας (Vchtmann, 2002b). Παρόλα αυτά, δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι οι εταιρείες σποροπαραγωγής ακόμα προστατεύουν τις πατέντες τους σε μη-διαγονιδιακούς σπόρους και φυτά.
Υποθέσεις για παραβίαση πατέντας στη γεωργία για διαγονιδιακούς σπόρους και φυτά δεν είναι οι μοναδικές (J.E.MAg. Supply, Inc. κατά Pioneer Hi-Bred International, Inc., 2001).
Μέχρι τον Μάιο του 2003, τέσσερις υποθέσεις για καταπάτηση πατέντας διαγονιδιακών καλλιεργειών βρέθηκαν στα δικαστήρια της Αμερικής και του Καναδά:
Monsanto Canada Inc. κατά Schmeiser(Monsanto Canada Inc., 2001);
Monsanto Company κατά Trantham (2001); Monsanto
Company κατά McFarling (2002)
και Monsanto Company κατά Swann (2003).
ΒΑΣΙΛΑΚΑΚΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ - Γεωπόνος ΑΠΘ 