Kukurydza, która sama się klonuje

Godzinę poza Mexico City taksówka skręca z głównej drogi, a hałas i gwar na autostradzie cichną. Za stalową bramą i białą wartownią wkraczamy na zadbane tereny Międzynarodowego Centrum Ulepszania Kukurydzy i Pszenicy, znanego pod hiszpańskim akronimem CIMMYT (czyt. SIM-it). To farma udająca małą ONZ. Szereg flag składa hołd krajom, które finansują pracę organizacji: tworzenie lepszych upraw dla biednych rolników z krajów rozwijających się.

Dalej przed nami ciąg białych znaków, z których każdy stoi przed małą kwadratową działką, na której na wietrze kołyszą włochate kłosy pszenicy. To jest Aleja Gwiazd w rolnictwie; na tych znakach widnieją nazwy odmian pszenicy, które wyłoniły się z lęgowisk CIMMYT cztery dekady temu: Sonora, Yaqui, Kauz, Sujata, Sonalika i inne. Odmiany te, odporne na choroby i dające niespotykane plony, podbiły Azję, wypierając tradycyjne odmiany pszenicy i starsze metody uprawy. Nowe odmiany, gwiazdy Zielonej Rewolucji, wywołały fenomenalny wzrost produkcji zbóż, który pozwolił Chinom i Indiom wyżywić się same. Rzeczywiście, wpływ nowych zbóż był tak wielki, że przyniosły one Normanowi Borlaugowi, pierwotnemu dyrektorowi programu pszenicznego CIMMYT, Pokojową Nagrodę Nobla w 1970 roku.

Ale poczekaj. Czy nie ma to być Międzynarodowe Centrum Ulepszania Kukurydzy i Pszenicy? Kukurydza, jak większość świata nazywa kukurydzę, jest drugą po ryżu najczęściej uprawianą rośliną uprawną; jest to niezwykle wydajna fabryka do przetwarzania światła słonecznego, gleby i wody w żywność dla ludzi i zwierząt. Przewiduje się, że w ciągu najbliższych kilku lat kukurydza przejdzie przez ryż i zajmie pierwsze miejsce. Więc gdzie jest kukurydza? Dlaczego brakuje go w Alei Gwiazd?

Jak może zaświadczyć każdy, kto jeździł po Środkowym Zachodzie, z pewnością istnieją lepsze odmiany kukurydzy. Ale solidne, wysokowydajne rośliny, które pokrywają tereny Iowa, są poza zasięgiem większości ubogich rolników i rolników na własne potrzeby na świecie – tych samych ludzi, którzy mają pomagać CIMMYT. Problem polega na tym, że jeśli rolnicy chcą sadzić te najwyższej klasy odmiany – zazwyczaj wysokooktanowe hybrydy, które firmy nasienne tworzą przez krzyżowanie dwóch wyraźnie różnych linii wsobnych – muszą co roku kupować nowe nasiona. Biedni rolnicy po prostu nie mogą sobie na to pozwolić.

Roczne zapotrzebowanie na świeże nasiona jest częściowo konsekwencją biologicznego przymusu kukurydzy do swobodnego i bezkrytycznego łączenia się w pary. Pszenica, podobnie jak ryż, praktykuje bezpieczny seks z własnym seksem. Każdy kwiat sam się zapyla, wytwarzając rośliny potomne, które są niemal dokładnymi kopiami swoich rodziców – przynajmniej tak jest w przypadku czystorasowych odmian pszenicy, takich jak te wydane przez CIMMYT. W rezultacie rolnicy mogą wykorzystać część rocznych zbiorów na nasiona, a odmiany można łatwo przekazywać z pola na pole, od jednego rolnika do drugiego.

Z drugiej strony kukurydza jest najbardziej rozwiązłą rośliną. Jego frędzle — męskie narządy płciowe — wyrzucają na wiatr miliony ziaren pyłku, przypadkowo zapładniając pobliskie kłosy, żeńskie narządy płciowe. Potomstwo rośliny może zatem bardzo się różnić, w zależności od tego, który pyłek wędrował do sąsiedztwa. Tak więc bez względu na to, jak starannie hodowcy CIMMYT konstruują ulepszone odmiany kukurydzy, tożsamość genetyczna tych linii szybko się załamuje, gdy zostaną one wypuszczone do genetycznego tygla pól uprawnych. Nowe cechy – wyższy plon, odporność na suszę, odporność na choroby – mają tendencję do zanikania, a nawet zanikania.

Problem zmienności jest jeszcze większy w przypadku odmian hybrydowych, które preferują firmy nasienne. W przypadku kukurydzy, a nawet roślin samopylnych, potomstwo hybrydy nie przypomina oryginału.

Gdyby tylko kukurydza mogła się rozmnażać przez całkowite pominięcie zapylania i klonowanie się. Pomysł nie jest tak daleko idący, jak mogłoby się wydawać. Kilka roślin robi to naturalnie, tworząc nasiona bez płci w procesie zwanym apomixis. Mlecze rozmnażają się przez apomixis; podobnie jak około 400 innych gatunków roślin, w tym co najmniej jeden dziki krewny kukurydzy. Dlaczego więc nie kukurydza? Gdyby ktoś mógł przestawić przełącznik i zrobić apomiktykę kukurydzy, CIMMYT mógłby wreszcie być w stanie wyprodukować wysoce wydajne, odporne odmiany, którymi biedni rolnicy mogliby dzielić się z sąsiadami i przesadzać z własnych zbiorów rok po roku.

Richard Jefferson, założyciel Centrum Zastosowań Biologii Molekularnej w Międzynarodowym Rolnictwie w Canberze w Australii, mówi, że implikacje apomiksy wykraczają daleko poza kukurydzę. Potencjał samoklonujących roślin, mówi, jest tak głęboki i wywrotowy, że hodowcy roślin, generalnie ostrożni i niedoceniani, nigdy nie przyznaliby się do marzeń o tym, chyba że najpierw ich upiłeś.

Oprócz udostępnienia hybryd i innych doskonałych odmian kukurydzy nawet najbiedniejszym rolnikom, apomixis umożliwiłoby szerokie zastosowanie wysokowydajnego hybrydowego ryżu, roślin, których nasiona są obecnie drogie i trudne do wyprodukowania w dużych ilościach. Apomixis może pomóc w wyeliminowaniu chorób z manioku, afrykańskiej podstawowej rośliny uprawianej przez przesadzanie kawałków bulw z roślin rodzicielskich, z których niektóre przenoszą choroby.

Po ponad dziesięciu latach pracy naukowcy z CIMMYT i kilku innych laboratoriów na całym świecie w końcu dotarli do apomixis. Z pomocą nowych informacji i narzędzi genomicznych modyfikują geny kontrolujące rozmnażanie roślin, mając nadzieję na powielenie procesu samoklonowania w kukurydzy i innych ważnych uprawach. Jeśli im się to uda – i wydają się być pewni, że w końcu, być może za dekadę, tak się stanie – apomixis otworzy drzwi do rewolucji w światowej produkcji żywności – mówi Wayne Hanna, genetyk z Departamentu Rolnictwa USA w Tifton w stanie Georgia.

To może wydawać się celem technologicznym, z którym niewielu mogłoby się spierać. Jednak nie ma pewności, czy apomiksy kiedykolwiek zostaną dopuszczone na pola rolników. Dwie przeciwstawne siły mogą znaleźć się nieprawdopodobnymi sojusznikami w próbie jej zablokowania: polityczny sprzeciw wobec inżynierii genetycznej i względy finansowe firm rolniczych, które są jednymi z głównych sponsorów badań nad apomiksami.

Kilku facetów miało bzika na punkcie apomixis przez wiele lat, mówi Daniel Grimanelli, młody naukowiec, który jest już siwowłosym weteranem w tej dziedzinie. Grimanelli, osiedlony na patio przed Centrum Biotechnologii Stosowanej CIMMYT, ma przedpołudniową przerwę w nauce. Sądząc po jego trzydniowym zaroście, okularach przeciwsłonecznych, papierosie i poszarpanej kurtce, Grimanelli mógł równie przekonująco wynurzyć się z poważnego zakrętu. Dzięki wspólnej nominacji w CIMMYT i Institut de Recherche pour le Dveloppement w Montpellier we Francji, Francuz został przeniesiony do Meksyku dekadę temu, ale mówi po angielsku z elokwencją i siłą.

Grimanelli kontynuuje, że w latach 70. i wczesnych 80. było w zasadzie czterech facetów: Yves Savidan we Francji, Wayne Hanna w Gruzji, Victor Sokolov w Rosji i Gian Nogler w Szwajcarii. Apomixis w tamtych czasach był ciekawostką botaniczną, niczym więcej. Hanna wspomina, że ​​spotkała go w postaci dziwnie wyglądających roślin sorgo w szklarni w Teksasie; Sokołow, daleko w syberyjskim mieście Nowosybirsk, poświęcił się swojej pracy trawie gamma, krewniakowi kukurydzy; a Savidan, pracujący w tym czasie na Wybrzeżu Kości Słoniowej, otrzymał wybór dzikich traw z Afryki Zachodniej.

Wszystkie te rośliny rozmnażają się w dziwny sposób. Ich jajniki same produkują nowe embriony, jako klony rośliny matecznej. Jednak kilka z tych roślin również angażuje się w seks. Tak więc starsi mężowie stanu z apomiksis badali wzorce dziedziczenia tej szczególnej cechy genetycznej, gdy rośliny apomiktyczne łączą się ze swoimi nieapomiktycznymi krewnymi. Stwierdziliśmy, że cecha ta zachowywała się jak pojedynczy dominujący gen, mówi Savidan, który obecnie kieruje międzynarodowymi partnerstwami Agropolis, finansowanego ze środków publicznych konsorcjum badawczego w Montpellier. To był zdumiewający wniosek, a Grimanelli mówi, że doprowadził do śmiałego pomysłu: jeśli to takie proste, dlaczego nie umieścić go w uprawach? Dlaczego nie skrzyżować kukurydzy z apomiktycznym krewnym? Łatwo!

Spokojnie, powtarza ponuro kolega Grimanelli, Olivier Leblanc.

Grimanelli i Leblanc reprezentują powiązanie między wczesnym pokoleniem takich badaczy apomiksy, jak Savidan, którzy stosowali tradycyjną hodowlę roślin, a nową falą badaczy, którzy wykorzystują markery molekularne, dane genomiczne i inżynierię genetyczną. Savidan przeniósł swoje badania nad apomiksami do:
CIMMYT pod koniec lat 80., a Leblanc i Grimanelli dołączyli do niego kilka lat później. Wydawało się to idealne miejsce. Po pierwsze, w klimatyzowanym skarbcu CIMMYT, pełnym próbek nasion, znajdowała się skarbnica nasion trawy gamma, krzewiastej rośliny, która jest najbliższym apomiktycznym krewnym kukurydzy. Co ważniejsze, misja CIMMYT polegająca na ulepszaniu upraw dla rolników w krajach rozwijających się idealnie wpisała się w potencjalne korzyści apomiksy.

Ale dekada tradycyjnej hodowli roślin przyniosła tylko frustrację. Naukowcy próbowali krzyżować trawę gamma i kukurydzę. Wyprodukowali 300 000 roślin hybrydowych, tworów o dziwnych kombinacjach cech obu roślin. Próbowali krzyżować wstecznie te hybrydowe rośliny z zwykłą kukurydzą, mając nadzieję, że każde pokolenie zbliży je do apomiktycznej wersji kukurydzy. Nieuchronnie gdzieś na długiej drodze ku kukurydzy zniknęły apomiksy.

Crazy corn: CIMMYT skrzyżował kukurydzę z trawą gamma, tworząc mnóstwo dziwnie wyglądających roślin. Trawa Gamma jest w centrum ( zobacz także górny obraz ).

Ale tak jak umierało stare podejście, narodziło się nowe. W 1999 roku CIMMYT podpisał umowę z francuską firmą nasienną Limagrain; oddział szwajcarskiego giganta farmaceutycznego Novartis, który od tego czasu stał się firmą Syngenta; oraz największa na świecie firma nasienna, Pioneer Hi-Bred. Porozumienie zapewniło centrum finansowanie i dostęp do prywatnych baz danych genomu kukurydzy. Nowe narzędzia stały się tak potężne, mówi Grimanelli. Możesz klonować geny, modyfikować geny, wyrażać geny. On i Leblanc rozpoczęli poszukiwania genów apomiksy, przesiewając odcinki DNA obecne w apomiktycznej formie trawy gamma, ale nie w wersji seksualnej. Śledzili te geny w dużym bloku DNA, około jednej trzeciej chromosomu, który jest zawsze obecny w apomiktycznej formie trawy gamma. Aby znaleźć konkretne geny w tym ogromnym polu DNA, naukowcy wrzucają transpozony – małe fragmenty DNA, które losowo wstawiają się do chromosomów – w ten blok DNA. Mają nadzieję, że transpozony wstawią się do genów ważnych dla apomiksy, zaburzając ten proces. Kiedy to nastąpi, naukowcy powinni być w stanie zlokalizować transpozon, a wraz z nim kluczowy gen, który mogliby następnie wstawić do kukurydzy. Jednak naukowcy z projektu CIMMYT nie są osamotnieni w swoich poszukiwaniach genetycznych kluczy do apomiksy. Do polowania dołączyła horda innych badaczy, z których część jest sponsorowana przez małe startupy biotechnologiczne. Konkurencyjne projekty powstały w Niemczech, Szwajcarii, Australii, Wielkiej Brytanii, Francji, Meksyku, Kalifornii, Teksasie i Utah. Większość przybyszów nie ma nadziei na przeniesienie genów apomiksy z jednego gatunku na inny, na przykład z trawy gamma na kukurydzę. Zamiast tego majstrują przy synchronizacji własnych genów roślin, aby skłonić je do rozmnażania się bez zapłodnienia. Naukowcy opracowują szczegóły tej syntetycznej apomiksy poprzez eksperymenty z ich ulubionym szczurem laboratoryjnym, małą rośliną gorczycy o nazwie Arabidopsis thaliana . Naukowcy z CIMMYT, których wysiłki będą również w dużej mierze polegać na danych genomicznych z lepiej znanych roślin, takich jak Arabidopsis , powiedz przeskok z Arabidopsis do kukurydzy będzie prawdopodobnie trudniejsze niż wielu badaczy się spodziewa. Ale mimo to, mówią, tak się stanie. Niesamowita dynamika tak wielu ludzi pracujących nad tym, mówi Grimanelli, nie będzie zaprzeczona.

Przeskok z laboratorium do pola wydaje się jednak w dzisiejszych czasach równie zniechęcający. Apomiktyczna roślina kukurydzy będzie organizmem zmodyfikowanym genetycznie, a w wielu częściach świata takie organizmy nie są mile widziane. Władze Unii Europejskiej nie zatwierdziły sadzenia ani importu żadnej nowej genetycznie zmodyfikowanej rośliny od 1998 roku. Pomimo powszechnego głodu Zambia niedawno odrzuciła amerykańską pomoc żywnościową, ponieważ przesyłki zawierały genetycznie zmodyfikowaną kukurydzę. A przez ostatnie cztery lata Meksyk nie pozwalał CIMMYT na testowanie genetycznie zmodyfikowanej kukurydzy poza szklarnią. Rzeczywiście, jeśli przeciwnicy inżynierii genetycznej postawią na swoim, żadna genetycznie modyfikowana kukurydza nigdy nie wyrośnie na meksykańskiej glebie.

Meksyk jest ojczyzną przodków kukurydzy, miejscem, w którym starożytni ludzie po raz pierwszy udomowili tę uprawę. Jest to także jedyny na świecie magazyn różnorodności genetycznej kukurydzy: meksykańscy rolnicy utrzymują zdumiewającą liczbę odmian kukurydzy. Przystosowana do ogromnej gamy klimatów kukurydza w Meksyku ma ziarna w kolorze czarnym, białym i w każdym kolorze pomiędzy.

Kiedy więc półtora roku temu naukowcy donieśli o znalezieniu śladów genetycznie zmodyfikowanej kukurydzy na odległych polach kukurydzy w południowym Meksyku, było to szczególnie niepokojące dla tych, którzy martwili się różnorodnością genetyczną tego wyjątkowego zasobu. Rzeczywiście, chociaż wyniki badania były gorąco kwestionowane przez innych badaczy, niektórzy ekolodzy uważają, że odkryli one katastrofę o epokowych rozmiarach. Mezoamerykańskie centrum rolniczej bioróżnorodności jest skażone genetycznie modyfikowaną kukurydzą, ogłosiła ETC Group, organizacja aktywistów z siedzibą w Winnipeg w Kanadzie. Greenpeace oświadczył, że to nieodpowiedzialne zanieczyszczenie zagraża całej strukturze genetycznej populacji kukurydzy.

Obraz sztucznych roślin zatruwających biologiczną studnię jest mocny, ale mylący, mówi Mauricio Bellon, ekolog z CIMMYT, który badał utrzymywanie przez meksykańskich rolników ich tradycyjnych odmian lub ras lądowych: Ludzie myślą, że rasy lądowe są jak delikatne wazony w muzeum. ale tak nie jest. Landrace nie są czyste i nie są statyczne, mówi Bellon. Odkrył, że meksykańscy rolnicy nieustannie sprowadzają nowe nasiona od sąsiadów, a nawet z odległych wiosek, aby dodać i, jak mają nadzieję, ożywić swoje pola. To trochę jak tasowanie kart z nowej talii, aby zwiększyć szanse na zwycięską rękę. Dobre karty — doskonałe cechy genetyczne — mają szansę na pozostanie w grze. Rolnicy próbują wybrać je do ponownego zasadzenia w następnym roku i odrzucają złe karty.

Nie ma wyraźnego powodu, dla którego genetycznie zmodyfikowane uprawy miałyby wypierać lub niszczyć różnorodność genetyczną Meksyku, mówi Bellon. Nowe geny stałyby się częścią mieszanki i przetrwałyby tylko wtedy, gdyby rolnikom spodobały się wyniki. Ale, pośpiesznie dodaje, genetycznie modyfikowana kukurydza w Meksyku może stwarzać inne zagrożenia, które wymagają starannego rozważenia.

Rzeczywiście, prawie każdy, kto badał falę sprzeciwu wobec genetycznie modyfikowanych upraw – w Meksyku i gdzie indziej – odkrył całą gamę motywacji. Obawy o integralność przyrody i bezpieczeństwo żywności mieszają się z wrogością do korporacji, które wprowadzają tę technologię na rynek. Meksyk nałożył moratorium na sadzenie wszystkich genetycznie modyfikowanej kukurydzy, na przykład nie wtedy, gdy CIMMYT przeprowadził pierwsze próby polowe, ale kiedy Monsanto z siedzibą w St. Louis i inne firmy zaczęły lobbować za zgodą na sprzedaż genetycznie zmodyfikowanych upraw meksykańskim rolnikom.

Antypatię do biotechnologii można spotkać również w obrębie CIMMYT. Chrupiący hodowcy roślin z CIMMYT czasami odrzucają program biotechnologiczny swojej organizacji jako marnotrawstwo, kosztowną modę, która roztrwoniła miliony dolarów bez dostarczania rolnikom ani jednego użytecznego produktu. Wielu jest niezadowolonych z transakcji – którym towarzyszą klauzule poufności i umowy mające na celu ochronę własności intelektualnej – biotechnologowie CIMMYT zaatakowali firmy. Krytycy twierdzą, że centrum powinno być odpowiedzialne tylko przed najbiedniejszymi rolnikami na świecie, a nie przed wielonarodowymi imperiami biotechnologicznymi. W tym momencie — w którym humanitarna misja CIMMYT spotyka cele prywatnej przedsiębiorczości — opowieść o apomixis nabiera ostatecznego ironicznego zwrotu. Bo według niektórych obserwatorów korporacyjni przyjaciele apomixis są również jego największymi wrogami.

Powód jest prosty: firmy nasienne mają bodziec finansowy, aby utrzymać samoklonującą kukurydzę z rąk rolników, ponieważ apomixis łamie naturalny rodzaj ochrony przed kopiowaniem. Firmy nasienne sprzedają głównie mieszańce nie tylko dlatego, że dają większe plony, ale także dlatego, że różnice między kukurydzą mieszańcową a jej potomstwem są bardziej wyraźne niż w liniach wsobnych. Te różnice sprawiają, że każdego roku rolnicy wracają do dealera po świeże dostawy nasion. Z drugiej strony hybrydy apomiktyczne mogą się dokładnie rozmnażać, a to byłoby niekorzystne dla biznesu.

Nic więc dziwnego, że wielu obserwatorów uważa, że ​​firmy sponsorujące badania CIMMYT chcą używać apomixis głównie jako wewnętrznego narzędzia do przyspieszenia skomplikowanego procesu hodowli hybryd i produkcji nasion. Przed sprzedażą nasion rolnikom firmy mogły wyłączyć zdolność samoklonowania. Myślenie w biznesie nasion jest takie, że apomiksy byłyby bardziej przydatne, gdybyś mógł je wyłączyć, mówi Anthony Cavalieri, wiceprezes ds. rozwoju cech i technologii w Pioneer Hi-Bred. Ostatecznie sponsorzy korporacyjni CIMMYT mogą postrzegać najlepsze hybrydy apomiktyczne z CIMMYT jako konkurencję. Jeśli sektor nastawiony na zysk kontroluje apomiksis jako narzędzie, nie będzie chciał, aby sektor publiczny wykorzystywał go do tworzenia samoreplikujących się hybryd, mówi Gary Toenniessen, który zarządza programami Fundacji Rockefellera w globalnym rolnictwie. A każda firma, która posiada patenty na kluczową część technologii apomixis, byłaby w stanie zablokować jej użycie, przynajmniej do czasu wygaśnięcia patentu.

W 1998 r. Jefferson z Australia’s Center for the Application of Molecular Biology to International Agriculture pomógł przekonać ponad 20 czołowych badaczy apomiksy z całego świata do zadeklarowania sprzeciwu wobec korporacyjnej kontroli nad badaniami. Tak zwana Deklaracja Apomixis stwierdzała: Jesteśmy głęboko zaniepokojeni, że obecny trend w kierunku konsolidacji własności biotechnologii roślin w kilku rękach może poważnie ograniczyć dostęp do przystępnej technologii apomixis. Niestety, mówi Jefferson, naukowcy są nieopisanymi zdzirami. Od tego czasu wielu badaczy apomixis zarejestrowało się w prywatnych firmach.

Naukowcy z CIMMYT twierdzą, że nie ma problemu. Utrzymują, że ich korporacyjni sponsorzy zgodzili się pozwolić centrum na dystrybucję apomiktycznej kukurydzy wśród biednych rolników w krajach rozwijających się. To całkowicie jasne, mówi Olivier Leblanc. Klienci CIMMYT mają pełną swobodę. Ale nawet Yves Savidan, architekt współpracy apomixis CIMMYT z przemysłem, stał się sceptyczny. Jeśli nie masz kontroli nad wszystkim, nie masz kontroli nad niczym, mówi.

Jeszcze zanim pierwsze apomityczne nasiona kukurydzy, samoklonujące się, będą gotowe do zasiania, rysuje się perspektywa, że ​​polityczne debaty i interesy korporacyjne zatrują ziemię. A to byłaby plaga nie tylko dla przyszłości biednych rolników, ale także dla reputacji biotechnologii rolniczej – dziedziny, w której już i tak nękają zarzuty, że jej nauka nie zrobiła wystarczająco dużo dla ludzkiego dobra.

Produkcja roślin biotechnologicznych, które wyżywią biednych i poprawią życie rolników w krajach rozwijających się, w przekonujący sposób odrzuciłaby takie oskarżenia. David Hoisington, dyrektor programu biotechnologicznego CIMMYT, uważa, że ​​takie uprawy są w drodze. Pierwsza genetycznie zmodyfikowana kukurydza CIMMYT, odmiana nieapomiktyczna, która odpycha robaka omacnicy, jest gotowa do testów w terenie. Za mniej więcej dekadę poletka apomiktycznej kukurydzy mogą oznaczać nowy wpis w Alei Gwiazd CIMMYT. Technologia jest tak potężnym narzędziem do rozwiązywania problemów, mówi Hoisington, że trzeba ją zaakceptować.

ukryć