Bevezetés
A korábbi elemzések olyan géntechnológiával nemesített takarmánynövényekkel, mint például a kukorica vagy szója foglalkoztak, amelyek esetében számos már bevezetett fajtát, hibridet sikeresen termesztenek. Azt, hogy a GM növények milyen tényleges szerepet tölthetnek be, akár már a közeli években a növekvő takarmányigények kielégítésében csak úgy lehet mérlegelni, ha tekintetbe vesszük a kutatás-fejlesztés fázisában lévő genotípusokat is. A valós lehetőségeket úgy tudjuk megítélni, ha ismerjük azokat a géntechnológiai stratégiákat, amelyek célzottan a takarmányok biológiai értékét kívánják javítani. Ezek meghatározó szerepet játszanak az állattenyésztés eredményességének alakításában, mint azt Gundel János korábbi tanulmányában bemutatta (Gundel, 2011). Természetesen a takarmánynövények esetében is kulcsszerepet játszanak azok a genetikai beavatkozások, amelyek a hozamot maximálják, hozzájárulnak a termésbiztonsághoz, még szélsőséges termesztési körülmények között is. Ezekre nem térünk ki a jelen elemzésben. Nem feledhetjük azt sem, hogy a nemesítési célok lényegesen különbözőek a szemes és zöldtakarmányok esetében. Ezzel összhangban a génállomány optimalizálása is eltérő megközelítéseken alapszik. Az alábbiakban a teljesség igénye nélkül néhány szemléletes példán keresztül kívánunk rávilágítani arra, hogy a géntechnológia valóban teljesen új távlatokat nyit a takarmánynövények nemesítésében, hozzájárulva az állati termékek iránti növekvő igények kielégítéséhez.
Alacsonyabb fuzárium toxin szennyezés a kukoricamoly ellenálló GM hibridek szemtermésében
Az EU-ban termesztésre engedélyezett két GM növény egyike a MON 810 kukoricamoly ellenálló hibrid, aminek termesztése Magyarországon nem engedélyezett. A kukoricamoly hazai kártétele bizonyos évjáratokban, egyes régiókban jelentősnek mondható. Szeőke Kálmán adatai szerint a kukoricák 20–60%-os fertőzöttsége is megfigyelhető a kártevő számára kedvező körülmények között, ami 5–20%-os veszteséget is okozhat a termésben. Ezen túl további probléma származik abból, hogy a hernyó által megrágott csöveken a toxint termelő másodlagos kórokozok (Fusarium spp., Aspergillus spp.) elszaporodhatnak, ezzel pedig fokozzák az egészségügyi kockázatot mind a takarmány, mind az élelmiszerek esetében. Az alfatoxin megjelenése a tejben is súlyos kockázatot jelent. A kémiai védekezés környezetkímélő alternatíváját jelenthetik a Bacillus thuringiensis (Bt) különböző Cry fehérjéit termelő GM kukoricahibridek. Bowers és munkatársainak (2014) közleménye 2007 és 2010 között végzett szabadföldi összehasonlítás eredményét összegzi. Az 1. ábrán jól látható, hogy a Bt hibridek lényegesen kisebb mértékben károsodtak a mesterséges molyfertőzést követően, az ilyen csövek szemei pedig egynegyedével kevesebb fumonisin toxint tartalmaznak. Ebből kitűnik, hogy itt környezetbarát védekezési eszközről van szó.
2007 és 2010 között végzett szabadföldi kísérletben a kukoricamoly ellenálló Bt hibridek csövei kevésbé károsodtak a mesterséges fuzáriumfertőzést követően, ezért ezekben a szemekben kevesebb toxin halmozódott fel, mint a referenciahibrid szemeiben (Bowers et al., 2014).
Jobban emészthető GM lucerna (HarvXtra TM)
A lucerna hazánkban is kiemelt jelentőségű takarmánynövény, melyet a gazdák mintegy 120–130 ezer hektáron, 3,3–3,5 tonna/ha hozammal termesztenek. Ez a pillangósvirágú növény kiváló fehérjeforrás, ugyanis mennyiségi és minőségi jellemzői egyaránt kedvezőek. A lucernafehérje optimális aminosav-összetétele mellett ez a növény, mint karotinforrás is jelentős. A hajtások növekedése során, amikor fejlődésük eléri a virágzási fázist, megemelkedik a sejtfal tömege és ezzel együtt csökken a neutrális detergens rost (NDF = Neutral Detergent Fiber) emészthetősége, amiért elsősorban a lignintartalom emelkedése a felelős. A lignin nem emészthető, ráadásul a cellulózhoz, illetve a hemicellulózhoz kötődik, így a sejtfal ezen összetevőinek emészthetőségét csökkenti. A lucerna takarmányozási értékének javítását célzó nemesítés egyik lehetősége a lignintartalom csökkentése. A biotechnológiai úton előállított HarvXtraTM lucerna esetében a gén-elhallgattatás módszerét használták, ami mérsékelte a lignin szintézisét végző enzim aktivitását. Az USDA által engedélyezett fajta zöld részeiben 10–20%-kal kevesebb a lignin, ami hasonló mértékű javulást eredményezett az emészthetőségben. Az U.S. Dairy Forage Research Center (Madison, WI) analízise szerint a rost emészthetőségének 10%-os javulása a tej- és a hústermelésben évi 350 millió USD többletjövedelmet és 2,8 millió tonnával kevesebb trágyát jelenthet az Amerikai Egyesült Államokban.
Az alacsony lignintartalmú lucernák előnye még, hogy kitolódik a betakarítás optimális időhatára.
Géntechnológiai megközelítések a takarmányok aminosav összetételének javítására
A lizin és a metionin az a két nélkülözhetetlen aminosav, melyek leginkább akár a gabonákból, akár a pillangósvirágúakból készült takarmányokból hiányoznak. Az aminosav hiány 50–70%-kal is csökkentheti a növények tápértékét. Ez elégséges indok arra, hogy igen intenzív kutatásokat végezzenek annak érdekében, hogy a növénynemesítés mind a hagyományos, mind a géntechnológiai módszerekkel növelje a betakarított termésben a lizin, illetve metionin mennyiségét (Galili and Amir, 2013). A géntechnológiai megoldások széles körét tekintve két meghatározó stratégia értékelése került előtérbe. Az egyik esetben az aminosavak bioszintézisében szerepet játszó enzimek génjeinek lecsendesítésével, illetve a kulcsgének működésének fokozásával avatkozhatunk be a belső szabályozási folyamatokba azért, hogy több aminosav szintetizálódjon. A másik megközelítés során a szemtermés vagy a széna főbb fehérje összetevőit módosítják. A kukoricánál mindkét lehetőséget tanulmányozták. Az első megoldást alkalmazta Frizzi és munkatársai (2008), ezzel a GM kukoricaszemekben több mint 40-szeresre növelte a szabad lizin mennyiségét a hagyományos hibridekhez képest. Az aminosavak szintézisének szabályozásában gyakran találkozhatunk azzal a jelenséggel, hogy a végtermék, jelen esetben maga az aminosav gátolja a szintézisút valamelyik enzimét. Ha géntechnológiai beavatkozással érzéketlenné tesszük az ilyen enzimet a végtermék gátlással szemben, akkor aminosav túltermelődést érhetünk el. Ezt a megoldást alkalmazták a Monsanto cég kutatói, amikor kinemesítették a magas lizintartalmú LY038 kukorica genotípust. Ebben az esetben baktériumból származott a lizingátlásra nem reagáló enzim. A további nemesítés során még a kukoricamoly ellenállósági gént is kombinálták a magas lizintartalommal a LY038 9 MON 810 hibridben. Tanulságokkal szolgál ennek a GM kukoricának az esete. Az 1. táblázatból kitűnik, hogy a fehérjékben és a szabadon található lizin mennyisége egyaránt magasabb a LY038 és a LY038 9 MON 810 hibridekben, mint a referenciaként szolgáló MON 810 genotípusban. Amikor brojlercsirkéket etettek az ilyen magas lizintartalmú kukoricával kiegészített takarmánnyal, a GM kukoricán nevelt állatok 30%-os súlytöbbletet mutattak. Lucas et al. (2007).
A 2000-es évek első évtizedében az Amerikai Egyesült Államokon kívül több ország (Kanada, Japán, Dél-Korea, Ausztrália, Új-Zéland) is engedélyezte a LY 038 hibridek takarmányként történő felhasználását. Ennek ellenére ezek a tenyészanyagok visszavonásra kerültek, miután az EFSA (Európai Élelmiszer Biztonsági Hivatal) egészségügyi kockázatot állapított meg az élelmiszerként történő fogyasztása esetén. Ugyanis a magas szabad lizintartalom következtében toxikus anyagok is megjelenhetnek e növényekben. A takarmány- és élelmiszer célú felhasználás elkülönítése biztonsággal pedig nem garantálható. Ez a példa igazolja a kockázatvizsgálat indokoltságát, amit azonban nemcsak a génnemesített növények, hanem a hagyományos módszerekkel nemesített növények minősítése során is szükséges lenne megkövetelni. Természetesen egy problémával terhelt GM termék kapcsán nincs helye az általánosításnak. A lizintartalom növelését célzó biotechnológiai megoldások másik megközelítésénél az opaque-2 mutáns fenotípust utánozták le a zein gének elcsendesítésével (Frizzi et al., 2010). A zein fehérjék csökkent felhalmozódása a kukoricaszemekben mind a kötött, mind a szabad lizin mennyiségének növekedését eredményezte. A GM szemekben 4,0–5,0 mg/g; opaque-2 szemekben 4,7 mg/g; vad típusú szemekben 3,0 mg/g össz-lizint lehetett kimutatni. A szabad lizin mennyiségét a minták sorrendjében 0,131–0,176 mg/g; 0,556 mg/g; 0,015 mg/g találták. Összevetve a LY038 genotípus értékeivel (1. táblázat) ez utóbbi megközelítés lehet ígéretesebb, mivel alacsonyabb a szabad lizin szintje. Figyelmet érdemel, hogy a GM szemekben megemelkedett triptofán mennyiséget mutatott ki az analízis.
A metioninban gazdag takarmányok géntechnológiai kifejlesztéséhez hasonló stratégiákat használtak, mint a lizin optimalizálása esetében, természetesen más gének beépítésével. A lehetőségeket jól szemlélteti Avraham et al. (2005) kísérlete, ahol a lucernalevelekben a metionin és a cisztein aminosavak mennyiségét növelték meg egy lúdfű gén beépítésével (2. ábra).
Érdemes megemlíteni, hogy a gén működtetéséhez erős levélspecifikus regulátor DNS szekvenciát használtak.
Az SDA omega-3 GM szójaolaj etetése a csirkehúst telítetlen zsírsavakkal gazdagítja
Ma már általánosan ismert, hogy a többszörösen telítetlen omega-3 zsírsavak többféle mechanizmuson keresztül fontos egészségvédő szerepet töltenek be. Az érelmeszesedés és a szívinfarktus kialakulásának kockázatát csökkenthetik, ami összefügg a vér koleszterinszintjének mérséklésével. Az omega-3 zsírsavak elsődleges forrását a halolajok jelentik, de egyes növények is tartalmaznak ilyen vegyületeket. Teljesen kézenfekvő, hogy ezek a vegyületek fontos takarmány összetevők lehetnek, különösen akkor, ha az előállított hústermékekben is megemelkedik a telítetlen zsírsavak mennyisége. A rekombináns DNS technológia lehetővé tette két idegen gén beépítését a szója genomjába. Az általuk kódolt enzimek beleavatkoznak a zsírsav bioszintézis folyamatába, aminek eredményeként jelentős mennyiségben (240 mg/g olaj) szintetizálódott az omega-3 zsírsavak egyik változata, a sztearidonsav (SDA). Rymer és munkatársai (2011) brojlercsirkék tápját egészítették ki hagyományos szójafajtából, a SDA omega-3 GM szójából kinyert olajjal, illetve halolajjal. A táphoz 45–50 g/kg olajadagokat adtak. Mind a mellhús, mind a combhús esetében a legmagasabb SDA tartalmat a GM szója olajával történt kiegészítés után mérték (522–861 mg/100 g hús). A kontroll szója olajának etetésekor ezek az értékek alacsonyabbak voltak (13–23 mg/100 g hús), amihez képest a halolaj SDA szintemelkedést eredményezett (37–68 mg/100 g hús). A főzött húsok aromája, íze nem különbözött az egyes etetési kombinációk esetében. SDA omega-3 GM szója használatával lehetővé vált a telítetlen zsírsav magasabb dózisának etetése, mint a hagyományos fajták használatakor.
A takarmányok biológiai értéke felértékelődik a jövőben. Ezzel együtt a takarmánynövények nemesítése során az új célok megvalósítása szükségessé teszi a fajtaelőállítás módszereinek hatékonyabbá tételét. A hagyományos eszközök, mint a keresztezés és a szelekció mellett egyre nagyobb szerepet kapnak a tudományos kutatás által megalapozott fejlesztések. A genomika, a fenomika kombinációja a teljes génállományra kiterjedő információkkal segítik a növények nemesítését. A géntechnológiai beavatkozások precizitása rohamosan javul. Ezért nincs tudományos indoka annak a ma még általános nézetnek, hogy a géntechnológiával nemesített GM növényekre nincs szüksége korunk mezőgazdaságának, ezen belül a takarmánytermelésnek.
Popp József – Fári Miklós – Harangi-Rákos Mónika – Dudits Dénes
Hivatkozások
Gundel J. (2011) Genetikailag módosított takarmánynövények. In: Genetikailag Módosított Élőlények (GMO-k) a tények tükrében. Magyar Fehér Könyv (szerk.: Balázs E., Dudits D., Sági László, Szeged) pp.59-65.
Bowers, E.; Hellmich, R.; Munkvold G. (2014) Comparison of fumonisin contamination using HPLC and ELISA methods in Bt and near-isogenic maize hybrids infested with European corn borer or western bean cutworm. J Agric Food Chem, 62(27):6463-72.
Galili, G. and Amir, R. (2013) Fortifying plants with the essential amino acids lysine and methionine to improve nutritional quality. Plant Biotechnol. J. 11, 211–222.
Frizzi, A.; Huang, S.; Gilbertson, L.A.; Armstrong, T.A., Luethy, M.H. and Malvar, T.M. (2008) Modifying lysine biosynthesis and catabolism in corn with a single bifunctional expression/silencing transgene cassette. Plant Biotechnol. J. 6, 13–21.
Frizzi, A.; Caldo, R.A., Morrell, J.A., Wang, M., Lutfiyya, L.L., Brown, W.E.; Malvar, T.M. and Huang, S. (2010) Compositional and transcriptional analyses of reduced zein kernels derived from the opaque2 mutation and RNAi suppression. Plant Mol. Biol. 73, 569–585.
Lucas, D.M.; Taylor, M.L.; Hartnell, G.F.; Nemeth, M.A.; Glenn, K.C. and Davis, S.W. (2007): Broiler performance and carcass characteristic when fed diet containing lysine maize (LY038 or LY038 x MON810), control or conventional reference maize. Poult. Sci. 86, 2152–2161.
Avraham, T., Badani, H., Galili, S. and Amir, R. (2005) Enhanced levels of methionine and cysteine in transgenic alfalfa (Medicago sativaL.) plants over-expressing the Arabidopsis cystathionine γ-synthase gene. Plant Biotechnology Journal 3, 71–79.
Rymer, G. F.; Hartnell and D. I. Givens (2011): The effect of feeding modified soybean oil enriched with C18:4n-3 to broilers on the deposition of n-3 fatty acids in chicken meat British Journal of Nutrition (2011), 105, 866–878.
A cikk szerzője: Popp József
