4.4. Genetinės modifikacijos taikymo miškų ūkyje ypatumai GMO testavimas Testavimui reikia laiko prieš naudojant genetiškai modifikuotus medžius komerciniu mastu: Žemės ūkyje GMO testuojami kelių rotacijų metu. Kaip su miško medžiais? Ar genas bus išreikštas? Kaip įtakos kitus požymius? Ar naujai įterptas genas bus išreikštas vėlesniame amžiuje? Pušis ir eglė – testavimas truktų bent 20 metų. Tai gana nemažos laiko ir kaštų investicijos. GM sukelia esminius tikslinio požymio pokyčius, kurie yra drastiškesni nei klasikinėje selekcijoje, bandant pakeisti genų dažnius. Todėl GMM išbandymas turėtų būti ilgesnis. Ryšiai tarp požymių, įvertintų laboratorinėje ir lauko aplinkose dažnai būna silpni: reikalingas ilgesnis testavimas.

GMO plačiai naudojami žemės ūkyje Komerciniais tikslais naudojamų GMO naudmenų plotas (FAO 2001). Metai Šalių sk. Plotas, mln. ha 1996 6 2 1997 11 1998 9 28 1999 12 40 2000 13 44 2001 53 GMO naudojimas didėja: Atsparumas kenkėjams Specialios technologijos (pvz. antisens)

GM požymiai žemės ūkyje Daugumas “augimo” (adaptacinių, produktyvumo ir kokybės) požymių yra poligeniniai, o vieno geno GM neturės įtakos. Todėl modifikuojami nedaugelio genų įtakoje esantys požymiai Pagrindinai GM žemės ūkyje: rezistentiškumas herbicidams ir kenkėjams (apie 41.5 mln ha komercinių GMO kultūrų). Kultūrų rezistentiškumas herbicidams leidžia efektyviai šalinti piktžoles paliekant kultūrinius augalus gyvus.  Bacillus thuringiensis (Bt) bakterijos turimas genas produkuoja baltymą, kuris yra nuodingas kenkėjams.

GM žemės ūkio kultūrų procentinis pasiskirstymas ir tendencijos 63 % soja 19 % kukurūzai 13 % medvilnė 5 % kanola <1 % kiti Tik keli požymiai, tik keturios rūšys, tik keturios šalys. Krintantis GMO domėjimasis Europoje. Šiuo momentu GMO atneša naudą gamintojui, bet ne vartotojui.

Miško medžių genetinė modifikacija: tyrimai Dabartiniu metu pasaulyje yra virš 210 bandymų su GMM, 16 šalių (pagrinde JAV). Dažniausiai tiriamos 4 gentys: Populus (51%), Pinus (23%), Liquidambar (11%), Eucalyptus (7%). Pusė GMM tyrimų skirti metodų kūrimui (genų stabilumas, ekspresija) ar fundamentaliems klausimams. Kita pusė tyrimų: (a) tolerancija herbicidams (13%), (b) tolerancija kenkėjams (12%), (c), cheminės medienos savybės (9%), (d) reprodukciniai požymiai (6%) Šaltinis: FAO.2004. Preleminary rewiev of biotechnology in forestry including genetic modification. Working paper FRG/59E, FAO, Rome, Italy.

Žemės ūkio GMO pasiekimų taikymas miškų ūkyje? Testuojant santykinai trumpai ir nedideliuose bandymuose, ekologinės GM pasekmės gali likti nepastebėtos  Atsparumas herbicidams turi ribotą panaudojimą miškų ūkyje. Vienintelė realizuota - nauda atsparumas kenkėjams, lignino kiekio ląstelėse ir žiedinių struktūrų modifikacija. GM sterilūs beržai, bandomi lauko sąlygomis Suomijoje (matyti tik apsauginiai vamzdeliai). Pušies sėjinukai bandomi klimatinėje kameroje (GM sėjinukai atsparūs spyglių ligai (kairėje).

Miško medžių genetinė modifikacija: naudojimas Komerciniu mastu GMM naudojami tik Kinijoje: Populus hibridai (P. alba x tomentosa) ir Populus nigra, kuriuose buvo įterptas modifikuotas Bt genas, koduojantis kenkėjams nuodingą baltymą Šių modifikuotų medžių naudojimo apimtys: 300-500 ha (2002 m.) Atlikti dviejų pakopų lauko išbandymai ir gauti visi teisiniai leidimai, reikalingi Kinijoje. Šaltinis: FAO.2004. Preleminary rewiev of biotechnology in forestry including genetic modification. Working paper FRG/59E, FAO, Rome, Italy.

Svarbu integruoti tradicinių miško medžių genetinių tyrimų rezultatus į GMM tyrimus Pastaruoju metu nemaža dalis miško medžių genetinių tyrimų finansavimo yra nukreipta GMM ir su jais susijusiems biotechnologijos tyrimams. Ženkliai sumažėjo kitų miško medžių genetikos sričių, kurios yra naudingos miškų ūkiui, finansavimas. Miško medžių biotechnologiniai projektai per daug sukoncentruoti į metodų vystymą ir praranda sąsajas su nemaža miško medžių tyrimų patirtimi. Fenning early 2002

GMO naudojimas: problemos Iš kelių transformuotų ląstelių reikia išauginti medelį ar keletą medelių. Transformuotus genotipus reikia padauginti vegetatyviniu būdu iki komerciniu mastu priimto donorinių genotipų skaičiaus. Komerciniu mastu donorinius genotipus reikėtų dauginti vegetatyviniu būdu ekonomiškai efektyviais metodais. Nepageidaujami GMM gali pasklisti per žiedadulkes

GMM dauginimas po transformacijos Naudojama organogenezė ar somatinė gemalų genezė: gaunama apie 10 medelių. Šie 10 medelių testuojami- ar bus išreikšti įterpti genai? Produkuojamas didesnis skaičius donorinių genotipų: galimi paprasti augūnų šaknydinimo metodai. Komercinis naudojimas: masinis dauginimas- efektyviausia vegetatyvinis: organogenezė, somatinė gemalų genezė, augūnai (rooted cuttings), Šių metodų kombinacija priklauso nuo rūšies vegetatyvinio dauginimo ypatumų: pagrinde spygliuočiai – lapuočiai. As a result, the last few years have seen an explosion in the field of bioinformatics, a new field of study which combines methods from computer science and information technology to analyze biological information. In its purest definition, bioinformatics is the application of information technology to biology. The ultimate goal of the field is to enable the discovery of new biological insights as well as to create a global perspective from which unifying principles in biology can be discerned the ability to capitalize on the emerging technology of database-mining - the process by which testable hypotheses are generated regarding the function or structure of a gene or protein of interest by identifying similar sequences in better characterized organisms

Įprastinė miškininkystė Selekcija = pranašūs genotipai Sėklinė plantacija/medynas= sėklos Medelynas = sodmenys Želdymas – ilgos apyvartos ūkiniai miškai (pakankama rūšies genetinė įvairovė, gamtai artimas išdėstymas, rūšių mišiniai) Medynų priežiūra (retinimų sistema, sanitarinė priežiūra) Galimas natūralus atkūrimas

GMM miškininkystė Selekcija = pranašūs genotipai, genai ir GMM sukūrimas GMM mikrodauginimas laboratorijoje ir = donoriniai klonai. Medelynas ir vegetatyvinis dauginimas = sodmenys Želdymas – trumpos apyvartos ūkiniai miškai (nedidelė rūšies genetinė įvairovė, ūkiniu požiūriu patogus sistematinis medžių išdėstymas) Medynų priežiūra (sanitarinė priežiūra) Negalimas natūralus atkūrimas. Laboratorija Augūnai Donorai

GMM naudojimo ypatumai: reprodukcinė medžiaga Sėklinės plantacijos- nereikalingos, nes GM reprodukcinė medžiaga gaunama tik vegetatyviniu būdu. Kodėl? Dėl rekombinacijos nemaža dalis sėklinių palikuonių gali neturėti įterpto naujo geno.

GMM naudojimo ypatumai: reprodukcinė medžiaga Sodmenų išauginimas: dauginimas iki komerciniu mastu ekonomiškai efektyvaus kiekio Reikalingos ekonomiškai efektyvios vegetatyvinio dauginimo technologijos Organogenzė. Somatinė gemalų genezė. Augūnų šaknydinimas.

Somatinė gemalų genezė ir dirbtinės sėklos Apibrėžimas: vegetatyvinio mikro-dauginimo metodas kai gemalai išauginami iš vegetatyvinių ar negametinių audinių. Manipuliuojant maitinimo terpėmis ir aplinkos sąlygomis, indukuojama audinių profiliacija į gemalų pirmines ląsteles, kurios gali būti užšaldomos skystame azote neribotam laikui. Norint genotipus klonuoti, šioms gemalų pirminėms ląstelėms indukuojamas augimas į gemalus, kurie apvelkami dirbtiniu maisto medžiagų sluoksniu ir taip paverčiami į dirbtines sėklas Dirbtinės sėklos auginamos įprastu būdu į medelius medelynuose (pigu). Sitkinės eglės gemalo formavimasis iš neapvaisintos kiaušidės audinių Iš somatinių gemalų išauginti Picea glauca medeliai Kanadoje

Masinio vegetatyvinio miško medžių dauginimo metodai 3 pagrindinai metodai 1. Organogenezė- augalų išauginimas iš kaliuso laboratorinėse sąlygose (brangus, labiau tinkantis lapuočiams). 2. Somatinė gemalų genezė- gemalų išauginimas iš kaliuso ir dirbtinų sėklų sukūrimas laboratorinėse sąlygose bei įprastinis medelių auginimas iš sėklų (pigesnis, tinkantis spygliuočiams). 3. Masinis dauginimas: jaunų medelių karpymas, šakučių šaknydinimas ir augūnų auginimas medelyne (pigiausias).

Augūnai Gavus keliolika GMM klonų, juos paauginus iki tinkamo reprodukcinio pajėgumo galima toliau juos dauginti komerciniu mastu šaknydinant šakutes (produkuojant augūnus). Picea abies donoriniai genotipai (hedges), skirti vegetatyviniam dauginimui šaknydinant augūnus Švedija 1998.

Aktualiausia GM nauda (dabartiniu metu rezistentiškumas kenkėjams). Tinkamiausi GMM panaudojimui yra aukštos ekonominės vertės rūšių trumpos rotacijos želdiniai (pvz. Populus, Eucalyptus): Aktualiausia GM nauda (dabartiniu metu rezistentiškumas kenkėjams). Mažesnė pasklidimo rizika (nes rotacija trumpa). Galima naudoti sterilius medžius. Galima apseiti be “gamtinio” aspekto. Trumpos rotacijos Eucalyptus kelių klonų želdiniai Brazilijoje

GMM trumpos rotacijos želdinių ypatumai Monokloniniai GMM želdiniai būtų jautrūs kitiems aplinkos veiksniams. Reikėtų bent kelių klonų. Pvz. tam, kad kenkėjai neįgytų imuniteto GMM Bt geno baltymui, tarp GMM gali būti įmaišomi nemodifikuoti klonai.

Taip galėtų atrodyti trumpos rotacijos Bt modifikuoti beržo želdiniai- reguliarios eilės ir efektyvi piktžolių ir sanitarinės būklės kontrolė. 20 metų amžiaus p. eglės augūnai Švedijoje- trumpos rotacijos želdinių pavyzdys.

GMM gali lengvai pasklisti Sėklos nešamos vėjo. Žiedadulkės skrenda tūkstančius kilometrų. Lytinės reprodukcijos būdu gauti GMM palikuonys gali turėti defektų, kurie nekontroliuojamai pasklistų ... Išeitis- sterilūs medžiai Sterilumas gaunamas įterpiant “knock-out” genus, kurie “išjungia” lytinės struktūras brandinančius genus. Sterilumo indukcija padidina GMM kūrimo kaštus.

GMM želdiniams tinka egzotinės rūšys, nes apribojamas GMM pasklidimas Pinus controrta kairėje ir Pinus sylvestris dešinėje

GMM miškininkystės modelis Reprodukcinė medžiaga Želdiniai Reguliarus išdėstymas ir trumpa rotacija GMM laboratorijoje Kelių GMM klonų testavimas lauke Tvarkymas: kaip greičiau gauti produktą Kelių GMM klonų dauginimas iki keliolikos donorinių klonų GMM pasklidimo prevencija Masinis klonavimas

GMO rizika Nekontroliuojamas GMO pasklidimas tarp laukinių rūšių. Alergija. Biologinis ginklas. Kiltos neigiamos pasekmės: (neigiama genų tarpusavio sąveika palikuonyse, genų išmušimas). Opponents of GMOs, including environmental groups such as Greenpeace and organic farmers, paint a very different picture. They point to the possibility that foreign genes could spread to wild species and produce, for example, superweeds. They also are concerned about the possibility of people having allergic reactions to the new proteins introduced into plants to fight insects or to render them herbicide resistant. Thirdly, they describe foods made from genetically modified crop plants as “Frankenfoods,” conjuring up images of a monster that is out of control. The reality is that, to date, there is very little evidence of these types of problems originating from transgenic plants. Nevertheless, as with all new technology, there is a question of whether the potential risks are worth the perceived benefits of the technology. Think of electricity; if asked, how many people would be willing to place a potentially fatal danger at just the height that toddlers can easily reach? And yet we accept, without question, the presence of electrical outlets near the floors of all our homes. Part of the problem with transgenic plant technology is that the benefits so far have been mainly to the farmer, while the risks, even if small, are being taken by the consumer. As with electricity, until a sufficiently large benefit is seen by the consumer, there will continue to be opposition to food made from transgenic plant technology.

Miškas – tai natūrali gamta ... Miškas suprantamas kaip gamtinė aplinka. Visuomenė dažnai nenori, kad gamta būtų dirbtinai manipuliuojama. Todėl greičiausiai GMM nebus leisti naudoti dabartiniuose ūkiniuose miškuose, kuriuose siekiama gamtai artimo ūkininkavimo ir natūralaus atsikūrimo. Vienintelė išeitis biomasės produkcija trumpos rotacijos želdiniuose.

Monopolinės rinkos rizika Genai ir GMM gali būti patentuoti. Ko pasekoje nukentės fundamentiniai, vieši tyrimai (visuomenės interesams geriau publikuoti viešai nei patentuoti kompanijų naudai). GMO kūrimo kompanijos gali sudaryti sąlygas monopoliui GMM rinkoje: pelningiau kontroliuoti rinką nei gaminti konkurencingą produktą. Pelno siekimas gali padidinti neigiamą ekologinį GMM poveikį

Sabotažo rizika Dažnai GMM bandymai tampa “žaliųjų” ar “eko-fašistų” protestuojančių prieš GMO aukomis (kaip ir banginių ar žvėrių medžioklė, skerdyklos, branduolinės jėgainės, plyni miško kirtimai) GMO lauko testų prižiūrėtojai dažnai baiminasi jų sunaikinimo. Pasekmės – padidėję GMO sukūrimo kaštai. Protestuotojai buvo atvykę ir prie šio GMM bandymo Suomijoje

Apibendrinant, GMM gali būti netolimoje ateityje naudojami jei Rotacija apie 10-15 metų . Egzotinė rūšis (ribotas išplitimas). Egzistuoja kloninės miškininkystės metodai (ekonomiškai efektyvus vegetatyvinis dauginimas). Veikianti selekcinė programa (nėra adaptacinių problemų, yra kompetencija ir lauko bandymai). Noras rizikingai investuoti. Geri ryšiai su mokslu. Populus ar Eucalyptus?

Literatūros sąrašas Desmond S. T. Nicholl. 2002. An Introduction to Genetic Engineering (Studies in Biology). Cambridge University Press; 2 edition (February 7, 2002), ISBN: 0521004713. FAO, 2004. Preliminary review of biotechnology in forestry, including genetic modification. Forest Genetic Resources Working Paper FRG/59E, Forestry Department, FAO. Rome, Italy. Gallardo, F., Fu, J., Cantón, F.R., García-Gutiérrez, A., Cánovas, F.M. & Kirby, E.G 1999. Expression of a conifer glutamine synthetase gene in transgenic poplar. Planta, 210: 19–26. Jain, S.M. and Ishii, K. 2003. Micropropagation of Woody Trees and Fruits. Forestry Sciences, V.75, Kluwer Academic Publishers, ISBN: 1402011350. Heuchelin, S.A., Jouanin, L., Klopenstein, N.B. & McNabb, H.S. 1997. Potential of proteinase inhibitors for enhanced resistance to Populus arthropod and pathogen pests. In Klopfenstein, N.B., Chun, Y.W., Kim, M.S. & Ahuja, M.R., eds. Micropropagation, genetic engineering, and molecular biology of Populus. Gen. Tech. Rep. RM-GTR-297, pp. 173–177. Jounin, L and Goujon, T. 2004. Tuning metabolism through genetic engineering in trees. In: Molecular genetics and breeding of forest trees (Kumar, S. and Fladung, M. eds). Haworth Press Inc., p. 167-191. Lemmetyinen ir Sopanen 2004. Modification of flowering inforest trees. In: Molecular genetics and breeding of forest trees, p. 263-291. Lida, W., Yifan, H., Jianjun, H. 2004. Transgenic forest trees for insect tolerance. In: Molecular genetics and breeding of forest trees, p. 243-261. Kirsi-Marja Oksman-Caldentey.2002. Plant Biotechnology and Transgenic Plants. ISBN: 082470794X. Publisher: CRC.

Kreuzer, H and Massey, A. 2001. Recombinant DNA and Biotechnology: A Guide for Teachers. American Society Microbiology; 2nd edition, ISBN: 1555811752. Kumar, S. and Fladung, M. (eds.). 2004. Molecular genetics and breeding of forest trees (. Haworth Press Inc., 429 p. Yanchuk, A.D. 2001. The role and implications of biotechnological tools in forestry. Unasylva, 204(52): 53–61. Plomion, C., Pionneau, C. & Baillères, H. 2003. Identification of tension-wood responsive proteins in the developing xylem of Eucalyptus. Holzforschung, 57: 353–358. Mellan, R., Brunner, A.M., Skinner. J., Strauss, S. 2001. Modification of flowering in transgenic trees. In: Moleculara breeding of woody plants (Morohoshi and Komamine eds.) Elseverier science. 247-258. Sliesaravičius, A ir Stanys, V. 2005. Žemės ūkio augalų biotechnologija. Enciklopedija, Vilnius, ISBN 9986-433-36-3. Steven H. Strauss, H. D. Bradshaw 2004. The Bioengineered Forest : Challenges for Science and Society. Resources for the Future, ISBN: 1891853716. Skinner, J.S., Meilan, R., Brunner, A.M. & Strauss, S.H. 2000. Options for genetic engineering of floral sterility in forest trees. In S.M. Jain & S.C. Minocha, eds. Molecular biology of woody plants, Vol. 1, pp. 135–153. Dordrecht, Netherlands, Kluwer. Tourte, Y. 2003. GMO: Transgenesis in Plants. Science Publishers Inc. ISBN: 1578082609 Oksman-Caldentey, K.M. and Bardz W. H (eds.) 2004. In Plant biotechnology and transgenic plants. Mercel Deker Inc. USA, ISBN 0-8247-0794-X.719 p.

Desmond S. T. Nicholl. 2002. An Introduction to Genetic Engineering (Studies in Biology). Cambridge University Press; 2 edition (February 7, 2002), ISBN: 0521004713. FAO, 2004. Preliminary review of biotechnology in forestry, including genetic modification. Forest Genetic Resources Working Paper FRG/59E, Forestry Department, FAO. Rome, Italy. Jain, S.M. and Ishii, K. 2003. Micropropagation of Woody Trees and Fruits. Forestry Sciences, V.75, Kluwer Academic Publishers, ISBN: 1402011350. Kirsi-Marja Oksman-Caldentey.2002. Plant Biotechnology and Transgenic Plants. ISBN: 082470794X. Publisher: CRC. Sliesaravičius, A ir Stanys, V. 2005. Žemės ūkio augalų biotechnologija. Enciklopedija, Vilnius, ISBN 9986-433-36-3. Steven H. Strauss, H. D. Bradshaw 2004. The Bioengineered Forest : Challenges for Science and Society. Resources for the Future, ISBN: 1891853716. Sliesaravicius A., Stanys V. 2005. Žemės ūkio augalų biotechnologija. V.: Enciklopedija, 234 p. Strauss S.H and Bradshaw H.D. (eds) 2004. The bioengineered forests. Chalenges for science and society. Washington, DC, US. 245 p. Vasil I.K. 2003. The science and politics of plant biotechnology - a personal perspective. Nat. Biotechnol 21: 849-51. Ермишин А.П. 2004. Генетически модифицированные организмы: мифы и реальность. Минск, - 118 с.

LITERATŪRA