Новости и мнения

Месть сорняков

Вредители растений эволюционируют, чтобы перехитрить распространенные гербициды, стоив фермерам урожая и денег.

Эта история подходит для голливудского фильма ужасов, но в то же время является принципом эволюционной биологии. Ввести токсин в систему, и вы неизбежно выберете выживших выжившего. Эти немногие люди получают репродуктивное преимущество и размножаются; иногда их нельзя остановить даже с помощью самых сильнодействующих химикатов.

В течение многих лет эта общая сюжетная линия появлялась в заголовках исследований устойчивости к антибиотикам и рака. Совсем недавно растения стали обычным главным героем. Сорняки во всем мире развивают устойчивость к глифосату – одному из самых распространенных гербицидов на рынке – и, подобно бактериям и опухолевым клеткам, многие растения могут также противостоять множеству других токсинов, каждый из которых обладает уникальными молекулярными мишенями.

В январе в Альберте, Канада, было подтверждено заражение кустарника кокиа волосяным покровом . Первоначально завезенный в пустынный климат в качестве корма для крупного рогатого скота, стойкий сорняк теперь может выживать в глифосате, который нацелен на фермент, участвующий в биосинтезе ароматических соединений. Он также может противостоять химическим веществам, которые ингибируют фермент ALS, участвующий в производстве аминокислот. По меньшей мере, 2000 акров сейчас затронуты, и «мы ожидаем, что больше случаев будет подтверждено после полевого обследования этой осенью», – говорит Хью Беки из Министерства сельского хозяйства и агропродовольственной промышленности Канады, государственного департамента, который управляет сельскохозяйственной политикой.

Соединенные Штаты также взяты штурмом. Палмерский амарант недавно развил устойчивость к тем же двум классам химикатов в Теннесси. С 2009 года высокий плетеный кустарник охватил 1 миллион акров пахотных земель , в результате чего некоторые фермеры покинули свои поля. А в Калифорнии растение под названием волосатая блоха недавно проникло в виноградники . Теперь он способен противостоять как глифосату, так и параквату – химическому веществу, которое захватывает фотоны из белков, участвующих в фотосинтезе.

Во всем мире 23 вида сорняков развили устойчивость к глифосату, и по крайней мере 10 из них также развили устойчивость к другим гербицидам, согласно Международному исследованию устойчивых к гербицидам сорняков. А Билл Фриз из Центра по безопасности пищевых продуктов в Вашингтоне, округ Колумбия, считает, что эти цифры недооценивают проблему. Чтобы сорняк был включен в список устойчивых, он должен в четыре раза превышать концентрацию, используемую для уничтожения восприимчивых растений. «Некоторые сорняки переносят более низкие уровни глифосата, и они также оказывают большое влияние на поле», – говорит он.

Заражение сорняками – скорее неприятность, чем чудовище, но они кусаются в кошельки фермера. В Арканзасе 61 процент соевых полей заражен устойчивым к глифосату амарантом Palmer, что приносит фермерам убытки в 71 миллион долларов в год, а 80 процентов хлопка штата также заражены, а потери в настоящее время составляют 10,9 миллиона долларов.

Выбор для супер-сорняков

Часто бактерии размножаются каждые 20 минут, но у растений гораздо более длинный жизненный цикл и, следовательно, более медленный темп развития. Это делает устойчивость к гербицидам обманчиво маловероятной.

Kochia scoparia WIKIMEDIA COMMONS, WILDBOAR

Вероятность того, что одна мутация придаст устойчивость к гербицидам, составляет 1 на 100 000, что делает вероятность двойного резистентного мутанта менее 1 на 10 миллиардов . Ранние исследования, спонсируемые промышленностью, предполагали, что устойчивость к глифосату была особенно маловероятной, потому что большие мутации в мишени гербицида, ферменте EPSPS, приводят к его дисфункциональности, убивая растение до того, как оно сможет размножаться.

«Заявления были наивными, и устойчивые сорняки действительно развивались», – говорит Дэвид Мортенсен , ученый по сорнякам из Университета штата Пенсильвания. «Когда химическое вещество применяется к такой широкой области – почти ко всем соевым бобам и хлопку, а также к большому проценту кукурузы – давление отбора слишком велико».

Действительно, потребление глифосата резко возросло – с 4 миллионов фунтов, которые были применены к кукурузе в 2000 году, до 65 миллионов фунтов в прошлом году, при этом использование на хлопковых и соевых полях также возросло. Большая часть этого увеличения может быть объяснена включением генетически модифицированных культур, которые не подвержены влиянию глифосата, который продается компанией Monsanto в Сент-Луисе под торговой маркой Roundup. Чтобы помочь фермерам распылять глифосат непосредственно над полями, не нанося вреда посевам, Monsanto выпустила сою и рапс Roundup Ready в 1996 году. Вскоре последовали генетически модифицированные хлопок и кукуруза, а к 2001 году посевы GE заняли миллионы акров. Это когда устойчивые сорняки дебютировали.

«Глифосат существует с 1970-х годов, но устойчивые сорняки не стали серьезной проблемой, пока гербицид не был упакован с генетически модифицированными культурами», – говорит Мортенсен.

Но, по словам Рика Коула, который следит за управлением сорняками в Monsanto , чрезмерное использование не является проблемой, и решение состоит в том, чтобы просто применить второй гербицид с другой молекулярной мишенью. «Проблема в том, что глифосат используется один – снова и снова», – говорит он. «Использование второго способа действия снижает риск сопротивления».

В наборе рекомендаций, выпущенных ранее в этом месяце (10 мая), Американское общество по изучению сорняков предположило, что помимо минимизации использования гербицидов, фермеры также диверсифицируют химические вещества, которые они применяют к своим растениям, чтобы сохранить эффективность гербицидов в долгосрочной перспективе.

Тем не менее, объединение химических веществ не всегда работает так, как планировалось, говорит Патрик Транел, ученый-сорняк из Университета Иллинойса. По его словам, удвоение количества химикатов делает маловероятным выживание чего-либо, что «потенциально увеличивает вероятность выбора общего механизма, обеспечивающего устойчивость к обоим гербицидам».

Мастера выживания

Сорняки не могут вырастить крылья или убежать, поэтому, чтобы выжить в суровых условиях, они разработали разнообразные, обобщенные реакции адаптации. Недавно профессор Вашингтонского университета Андре д’Авиньон наткнулся на удивительный пример . Используя ядерно-магнитно-резонансную томографию, он и его команда отслеживали глифосат через хвощ, местное растение, которое пропитывает пропашные семена продуваемыми ветром семенами. В восприимчивых сорняках химическое вещество попало в цитозоль, но в устойчивых растениях 85 процентов были связаны в вакуоли в течение 24 часов. Этот механизм также был продемонстрирован на устойчивом к глифосату итальянском райграсе и жестком райграсе .

Conyza bonariensis (хвощ) семенные головки и цветы WIKIMEDIA COMMONS, RICKJPELLEG

«Это более общий процесс, чем изменение фермента, и это означает, что одно растение может адаптироваться к двум химическим веществам одновременно», – говорит Мортенсен.

У бактерий множественная лекарственная устойчивость часто прослеживается в большом разнообразном классе АТФ-связывающих кассетных (ABC) транспортеров, которые несут множество химических веществ в клетку и органеллы. Этот же класс белков может помочь устойчивым растениям изолировать глифосат. Действительно, д’Авиньон нашел доказательства того, что хвощ может сверхэкспрессировать локализованный транспортер вакуолей, и хотя белок еще не выделен, неопубликованные результаты предполагают, что он требует АТФ и перерабатывает другие химические вещества, типичные для транспортеров ABC. «Если задействован транспортер ABC, он может транспортировать более одного гербицида в вакуоль», – говорит Авиньон, чью работу спонсирует Monsanto.

Другая стратегия, используемая как растениями, так и бактериями, заключается в избыточной экспрессии целевых ферментов, так что некоторые из них могут функционировать должным образом, даже когда другие разрушаются химическим веществом. Например, устойчивый к глифосату водяной конопля, амарант Палмера, кохия и итальянский райграс сверхэкспрессируют ген EPSPS, на который нацелен гербицид. Однако вместо того, чтобы просто усиливать экспрессию генов, устойчивые к глифосату растения делают несколько копий гена EPSPS. «Это очень сложно сделать – это гораздо менее вероятно, чем точечная мутация», – говорит Транел.

Подъем стойких

Если ситуация уже не была достаточно плохой, это похоже на снежный ком. Сорняки в девяти разных странах независимо выработали устойчивость к множеству способов действия. Некоторые упрямые выжившие теперь могут пережить большинство химических веществ, используемых фермерами, и заражение распространяется.

Например, в прошлом году фермеры в штате Айова сообщили о заражении водяного конопли на своих кукурузных и соевых полях. В настоящее время сорняки вторглись на 500 акров и продолжают переживать обработку глифосата и шести дополнительных химикатов. Случай является редким примером развития устойчивости сорняков к трем химическим классам, каждый с уникальной молекулярной мишенью. Еще более впечатляет то, что биотип Rigid Ryegrass, растущий в Виктории, Австралия, теперь устойчив к четырем химическим классам. Пока затронуто всего около 10 акров, но по прогнозам, сорняки будут распространяться.

Несмотря на кажущуюся малую вероятность того, что растение приобретает устойчивость к множественным гербицидам, резкое увеличение числа устойчивых к глифосату сорняков, которые в настоящее время заражают более 17 миллионов акров по всей стране, значительно увеличило эту возможность. «Нам не нужно, чтобы одно растение подверглось двум маловероятным адаптациям – нам просто нужно, чтобы одно событие произошло в биотипе, который уже обладает устойчивостью к глифосату», – говорит Мортенсен.

«Следующая волна генетически модифицированных семян станет окончательным экспериментом», – говорит Фриз. Monsanto разрабатывает культуры, которые можно одновременно опрыскивать глифосатом и гербицидом дикамба. Dow AgroSciences планирует продавать генно-инженерные семена кукурузы, устойчивые как к глифосату, так и к гербициду 2,4-D; Министерство сельского хозяйства США рассматривает технологию этим летом. «Подобно тому, как у нас увеличилось содержание глифосата после выпуска урожая Roundup Ready, мы можем вскоре увидеть значительное увеличение 2,4-D», – говорит Фриз. «На наш взгляд, это также приведет к сорнякам с множественной устойчивостью к 2,4-D и глифосату. »

Исправление (24 мая): Вероятность того, что растение развивает двойную устойчивость к химическим веществам, упомянутым в этой истории, больше равна 1 на 10 миллиардов. Первоначальная версия гласила: «меньше 1 на триллион», что отражает менее консервативное число. Ученый сожалеет об ошибке.

Исправление (31 мая): Шестьдесят один процент соевых полей в Арканзасе, а не в Алабаме, заражен устойчивым к глифосату амарантом Palmer. Ученый сожалеет об ошибке.

Исправление (7 августа 2014 г.): Андре д’Авиньон учится в университете Wasington, а не в университете Вашингтона. Ученый сожалеет об ошибке.

Обсуждение

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *