Biotech Goes Wild

Några mil utanför Sacramento sitter flera stora växthus bakom ett staket. På sommaren syns de välbekanta solroshuvudena genom glaset och på fälten som omger växthusen. Växterna är långa, raka och friska, med tjocka blad som sträcker sig mot Kaliforniens solljus. De ser precis ut som solrosväxter som odlas i hela USA - förutom plastburarna runt varje blomma.

Blommorna täcks av biologer vid Pioneer Hi-Breds forskningsanläggning i Woodland, Kalifornien, som äger växthusen, fälten runt dem och solrosorna i båda. Växterna är transgena, det vill säga gener från andra organismer har satts in i deras kromosomer. Att hålla solroshuvudena i bur hjälper till att förhindra vinden från att sprida genetiskt modifierade pollen runt området, vilket skulle bryta mot federala lagar som förbjuder frisättning av icke godkända transgena organismer.

För att skydda Pioneers affärshemligheter är forskarna angelägna om att diskutera deras arbete, men regeringstillstånd tyder på att solrosorna i Woodland har utsatts för den moderna bioteknikens fullständiga armamentarium. Pumpade upp av gener från så många som ett halvdussin andra arter, stöter växterna bort mal och virus, bekämpar svampsjukdomar och producerar frö med en hållbarhetstid utöver deras icke-konstruerade kusiner. För Pioneer kommer dessa supersolrosor, som de ibland kallas, att vara ett litet men betydelsefullt steg framåt i kampen för att föda världens exploderande befolkning, som förväntas plana ut till 10 miljarder eller så. Men för kritiker är de – och den jordbruksbioteknik som skapade dem – ett ekologiskt hot som kommer att förstöra de naturliga system som mänskligt liv är beroende av.

Kampen mellan dessa förankrade åsikter är hård. Under det senaste året förstörde bönder och aktivister fem ton transgena fröer i Frankrike, slängde åkrar med genetiskt förändrade grödor i Tyskland och övertygade sju europeiska stormarknadskedjor att sluta sälja butiksvaror som innehåller biotekniska produkter. I februari stämde en koalition av 70 grupper och individer U.S. Food and Drug Administration för att blockera användningen av ett dussin transgena grödor som ett överhängande hot mot miljön.

Även när den amerikanska regeringen främjar bioteknik inom jordbruket backar europeiska länder tillbaka från vad aktivister kallar Frankenfoods. Österrike och Luxemburg har förbjudit genetiskt modifierad majs; Norge har också förbjudit majs och fem andra biotekniska grödor; Frankrike har förbjudit alla transgena växter. För att driva den brittiska regeringen att införa ett moratorium dumpade Greenpeace fyra ton genetiskt modifierade sojabönor utanför Downing Street 10 i februari.

Biotechs anhängare, å andra sidan, hävdar att det kommer att skapa inget mindre än en andra grön revolution. I det första använde jordbruksforskare konventionella förädlingstekniker för att skapa de högavkastande stammar av vete och ris som har fördubblat världens spannmålsskörd sedan 1950-talet. Under den tiden minskade antalet hungriga människor med tre fjärdedelar, enligt FN:s livsmedels- och jordbruksorganisation, trots en enorm befolkningsökning. Men antalet globala befolkningar fortsätter att stiga, och forskare måste nu göra om det hela igen. Enligt en prognos som släpptes i augusti förra året av International Food Policy Research Institute, en tankesmedja i Washington, D.C., kommer världens efterfrågan på ris, vete och majs att öka med 40 procent till 2020 - och det enda sättet att mätta dessa munnar är genom bioteknik. Om aktivister lyckas förbjuda transgena grödor, hävdar Robert L. Evenson, en jordbruksekonom vid Yale University, kommer de att skada de fattiga på tre kontinenter.

Fångad mellan dessa ytterligheter är en grupp jordbruksekologer och växtgenetiker som försöker förstå implikationerna av den nya tekniken. Även om vissa aktivister hävdar att genetiskt förändrade grödor är ett direkt hot mot människors hälsa, avfärdar forskare i allmänhet sådana farhågor: Det finns få bevis för att transgena gener, i och för sig, sannolikt är toxiska eller främjar sjukdomar. Biologer tror dock att främmande gener i grödor i vissa fall kan passera till andra arter som inte är jordbruksprodukter, med potentiellt farliga effekter. Det är oundvikligt att de kommer ut, säger ekologen Joy Bergelson vid University of Chicago. Det betyder inte nödvändigtvis att det kommer att bli negativa konsekvenser. Men det kan finnas några. Och just nu vet vi inte tillräckligt om vad de kan vara och när de kan inträffa.

Tekniken är lysande, säger Paul Arriola, växtgenetiker vid Elmhurst College i Elmhurst, Illinois. I många avseenden är det en gåva från himlen. Icke desto mindre tror Arriola att biotekniken överträffar både den vetenskapliga förståelsen av dess risker och utvecklingen av en regleringsapparat för att övervaka användningen. Eftersom vi enligt Arriolas inte riktigt vet vad vi ska reglera, eller hur vi ska göra, är världen mitt uppe i ett enormt, pågående experiment. Vi skulle kunna skapa en riktig miljöröra. Och det kan hindra den här tekniken från att göra något riktigt bra.

Superogräs

Kampen om transgeniskt jordbruk är allt annat än akademisk. 1996, det första året som transgena fröer var allmänt tillgängliga, planterade bönder 1,74 miljoner hektar av de nya sorterna. I år, enligt Clive James, chef för den ideella International Service for Acquisition of Agribiotech Applications, planteras så många som 50 miljoner hektar världen över - ett område större än Tyskland - med genetiskt modifierade grödor. Det är en av de snabbaste adoptionerna av teknik jag någonsin sett, säger James.

Ungefär tre fjärdedelar av den marken finns i USA, det mesta planterats i biokonstruerad majs och sojabönor. Men tekniken växer ännu snabbare i Argentina - det område som landet ägnade åt transgena sojabönor tredubblades mellan 1997 och 1998. Även om exakta siffror inte finns tillgängliga ökar Kina, världens största producent av bomull och tobak, enligt James aggressivt marken planterad med genetiskt förändrade versioner av båda grödorna.

Den i särklass viktigaste biotekniska egenskapen idag är herbicidtolerans, som står för två tredjedelar av alla transgena grödor. En teknologi som domineras av Monsanto, den låter växter tåla användningen av utvalda ogräsdödande kemikalier, så att bönder kan applicera dem utan rädsla för att förstöra deras grödor. Monsantos Roundup Ready sojabönor, som motstår företagets Roundup ogräsmedel, introducerades 1996; förra året täckte de uppskattningsvis 10 miljoner hektar - en tredjedel av den amerikanska jordbruksmarken som ägnas åt den grödan. Näst i betydelse är insektsresistent majs, inklusive DekalBt-majs, modifierad av Monsantos nyligen förvärvade Dekalb-dotterbolag för att producera en bakteriell insekticid, och StarLink-majs, producerad av AgrEvo, ett joint venture mellan tyska kemijättar Hoechst och Schering. I huvudsak syftade till att bekämpa den europeiska majsborren, transgen majs förra året ockuperade 6,5 miljoner hektar i USA - en femtedel av landets totala majsskörd.

Mer-mycket mer-är på väg. När försäljningen av biokonstruerade frön steg från 75 miljoner dollar 1995 till mer än 1,5 miljarder dollar förra året, positionerade sig ett halvdussin enorma företag i Europa och USA för att utnyttja en marknad som allmänt anses vara på väg att explodera. Enligt U.S. Department of Agricultures register har cirka 4 500 genetiskt förändrade växtsorter testats i detta land, mer än 1 000 bara under det senaste året. Ett 50-tal har redan godkänts för obegränsad frisättning, inklusive 13 sorters majs, 11 tomater, fyra sojabönor, två squash och till och med en typ av radicchio. Hundratals fler är i pipelinen, bland dem anläggningar som kommer att producera industriella och farmaceutiska kemikalier (se tidigare nummer The Next Biotech Harvest ).

Denna rusning till marknaden larmar vissa biologer, som tror att transgena grödor släpps innan miljökonsekvenserna är förstått. Den mest omedelbara oron är om genetiskt modifierade grödor spontant kommer att häcka med sina vilda släktingar och skapa hybridsuperogräs. Precis som en enda brasiliansk biforskare skapade en kontinentomfattande olägenhet genom att av misstag låta aggressiva afrikanska bin hybridisera med milda inhemska bin, kan frisättningen av främmande gener i teorin producera skadliga mördarbiväxter.

Förvånansvärt lite är känt om sådan naturlig hybridisering, förklarar växtgenetikern Norman C. Ellstrand vid University of California vid Riverside. Tills nyligen fokuserade jordbruksforskare på att skydda jordbrukare; den lilla mängd hybridiseringsforskning som gjordes tidigare gällde i första hand introgression av gener från det vilda till odlade arter, snarare än tvärtom. Folk hade idén att [gröda-ogräshybridisering] inte var ett särskilt vanligt eller intressant fenomen, säger Ellstrand. Men när de äntligen fick titta på det, ägnade de i princip mycket tid åt att bli förvånade över vad som kunde hända.

Inledningsvis trodde forskare att gener var osannolikt att flöda från transgena grödor till ogräs, eftersom kända gröda-ogräshybrider ofta är sterila. Men i september förra året skrämde Bergelson och två Chicago-kollegor forskare med en studie av Arabidopsis thaliana , en senapsart som ofta används som testorganism av växtgenetiker. Vanligtvis pollinerar växten sig själv, vilket antyder för forskare att främmande gener i transgena A. thaliana skulle inte fly genom hybridisering. Men efter att forskarna planterade vanligt A. thaliana , transgena herbicidresistenta A. thaliana , och en naturligt förekommande, herbicidresistent mutantvariant, lärde de sig att de transgena växterna var 20 gånger mer benägna att korsa ut än mutanterna - de var promiskuösa, som en rubrik i tidskriften Nature uttryckte det. Ingen vet varför, säger Bergelson. Vi försöker fortfarande hitta mekanismen som driver mönstret vi såg. Det finns mycket vi inte förstår, inklusive hur vanligt det är.

Konsekvenserna är olycksbådande. För ett decennium sedan, till exempel, blandades europeiska sockerbetor spontant med en vild släkting, vilket skapade en hybridart som nu är ett kontinentomfattande problem. Medan sockerbetan är tvåårig - roten skördas i slutet av det andra året - det nya ogräset är ettårig. I slutet av året, säger Ellstrand, förvandlas roten till en träbit som skadar jordbruksutrustning eller tar sig in i sockerbetsanläggningen och skruvar ihop maskineriet. Du kan inte döda det med en herbicid eftersom alla herbicider som får ogräset träffar sin släkting. Det är inte förrän saken blommar och blommar som du ser den, och vid den tiden har den satt frö som kommer in i betfältet för alltid.

Transgena grödor har redan visat potential att skapa liknande problem. Särskilt skrämmande är utsikterna för herbicid- eller insektsresistenta superogräs. 1995 introducerade Monsanto och AgrEvo herbicidtolerant raps ( Brassica napus ), växten som är källan till rapsolja. Ett år senare rapporterade ett team med elva medlemmar från Scottish Crop Research Institute, till forskarnas förvåning, att pollen från rapsfält kan färdas så mycket som två kilometer. Nästan samtidigt upptäckte tre danska genetiker att det var transgen Brassica napus häckar lätt med en ogräs släkting, Brassica campestris . De resulterande växterna ser mycket ut B. campestris -men är opåverkade av herbicider. Sammantaget, säger Dean Chamberlain vid University of North Carolina i Greensboro, visade de två rapporterna att hybridisering är ett verkligt problem och att du behöver ett mycket stort buffertområde runt din tomt för att kontrollera den.

När Ellstrand granskade litteraturen om de 30 mest jordbruksmässigt viktiga växtarterna trodde de flesta forskare han konsulterade att få hybridiserar lätt. Faktum är att han hittade bevis för att mer än 25 av grödorna kan bryta artbarriären, ibland med obesläktade arter. Inkluderat i den listan är vete, som Robert S. Zemetra och hans kollegor vid University of Idaho rapporterade i april kan överträffa med skäggigt getgräs, ett problem med ogräs i västra USA.

Det som verkligen chockerar mig som biolog är att du har två arter med olika antal kromosomer som hybridiserar, säger Allison Snow, botaniker vid Ohio State. Getgräs har 28 kromosomer och vete har 42, men de kan korsa. Biologer har ansett livsdugliga avkommor från sådana oöverensstämmelser som nästan omöjliga. Som ett resultat ansåg de att utbudet av arter som kunde hybridisera var begränsat. Hybridiseringen av getgräs-vete tyder på att utbudet är större än man trodde.

Du får väldigt låga reproduktionshastigheter, säger Snow. Men när du pratar om tunnland och tunnland vete med getgräs runt omkring dem, kan till och med en mycket låg sannolikhet inträffa. Om hybridisering skapade insektsresistent getgräs i områden där ogräets spridning naturligt kontrolleras av insekter, säger hon, kan det sluta med att bli den enda sortens getgräs du har, och då kan du få ännu större angrepp av det än vad vi redan har. ha. Sådan rädsla är en anledning till att insektsresistenta Bt-grödor - som innehåller gener från bakterien Bacillus thuringiensis -har blivit måltavla av aktivister.

I USA är det osannolikt att transgen majs utgör någon större risk för hybridisering eftersom den inte har några nära släktingar. Men Mexiko har teocinte , den vilda växten som kan vara förfader till modern majs. Vad skulle hända om mexikanska bönder planterade biokonstruerad majs? Kan de nya generna påverka konditionen hos teocinte , som vissa jordbruksekologer ser som ett potentiellt lager av värdefulla gener för framtida majsuppfödare? Med den information vi har nu, säger Snow, är det svårt att säga när de långsiktiga riskerna är tillräckligt allvarliga för att förbjuda vissa grödor.

Bakom ekologernas rädsla skymtar tron ​​att molekylärbiologer som arbetar med DNA på laboratoriebänken inte helt förstår hur det beter sig i fält. Enligt Rosemary S. Hails från British National Environmental Research Councils Institute of Virology and Environmental Microbiology är riskbedömningen av transgena organismer ett tvärvetenskapligt ämne, som bör omfatta ekologer, molekylärbiologer, agronomer och sociologer. Istället tenderar företag att delegera beslut om frisättning av transgena grödor till molekylärbiologer - som inte är utbildade för att uppskatta den fulla komplexiteten i hur den genetiska koden interagerar med miljöfaktorer.

Hur snabbt skulle ett nytt ogräs komma runt? frågar Snow. Ingen vet riktigt. Jag antar typ att de flesta av dessa grödor kommer att godkännas så småningom och människor som jag kommer att studera vad konsekvenserna är. Sedan, efter att katten är ute ur påsen, kan vi komma på hur vi ska reglera denna teknik.

En hungrig värld

Med tanke på dessa risker, varför stödjer så många av dessa forskare den fortsatta utvecklingen av bioteknik inom jordbruket? Ett svar är häxgräs. Witchweed, det vanliga namnet på tre arter i släktet Skrika , är en parasitisk växt som livnär sig på rötterna av spannmål och baljväxter i stora delar av Afrika. Attackera majs, sorghum och hirs - kontinentens tre viktigaste spannmålsgrödor - Skrika , enligt Gebisa Ejeta, en agronom vid Purdue University, är ett gissel för afrikanskt jordbruk. Det har uppskattats att ogräset förstör 40 procent av kontinentens totala spannmålsskörd - en svindlande förlust på världens hungrigaste platser.

Ur ett biologiskt perspektiv, Skrika är fascinerande. Dess frön, mindre än sandkorn, ligger vilande i så länge som 20 år och vaknar endast när de väcks av en kemikalie som släpps ut av värdväxtens rötter. Medan de fortfarande är under jord, utvecklar parasitväxterna rotliknande organ som kallas haustorium, som penetrerar värdrötterna och suger upp näringsämnen. Poäng eller hundratals Skrika växter kan attackera samma värd. Witchweed växer så småningom till fält med fem fot höga växter med vackra rosa blommor, men vid den tiden har den länge förstört de grödor den livnär sig på. Eftersom varje växt producerar så mycket som 100 000 frön är häxgräs nästan omöjligt att utrota - USA tillbringade fyra decennier med att utplåna ett enda litet utbrott i Carolinas.

Eftersom witchweed snabbt anpassar sig till nya värdar, fortsätter förlusterna i Afrika att växa. När parasiten gjorde det omöjligt att odla sorghum i östra Sudan försökte desperata bönder odla pärlhirs. Först var hirs immun. Men inom några år orsakade häxgräs förödelse även på den nya grödan. Människor svälter bokstavligen på grund av Skrika , säger Ejeta.

Vem tittar på växthuset?

Osäkerheten beror delvis på avsaknaden av ett rigoröst regelverk för att reda ut riskerna med bioteknik inom jordbruket. Plastburarna som täcker solrosornas huvuden hjälper till att hålla det transgena pollenet borta från miljön, ett allmänt krav för att erhålla ett federalt tillstånd för att odla en testgröda av biotekniska växter. Men förutom att övervaka tomterna, ställer regeringen få villkor för biotekniska tester. Det främsta skälet är att kongressen inte har antagit någon specifik miljölag för genetiskt modifierat jordbruk. Istället utvärderas transgena grödor av tre överlappande federala myndigheter: Food and Drug Administration, Environmental Protection Agency och Department of Agriculture.

Varje statlig myndighet har olika lagstadgade ansvar, vilket ibland leder till avvikelser – och luckor i regelverket. FDA, till exempel, tittar inte på säkerheten för livsmedel som har konstruerats för att uttrycka bekämpningsmedel, eftersom bekämpningsmedel enligt lag är undantagna från myndighetens behörighet. Inte heller EPA, som krävs för att behandla sådana livsmedel som bekämpningsmedel. Eftersom bekämpningsmedel, naturligtvis, är giftiga ämnen, fastställer myndigheten endast mänskliga toleranser för varje förening. (Som svar på kritikernas oro meddelade byrån i våras att den kan tänkas över sitt tillvägagångssätt.) För sin del försöker USDA helt enkelt se till att grödan växer på det sätt som tillverkaren säger att den kommer att göra. De osammanhängande juridiska mandaten, konstaterar EPA:s bioteknikrådgivare Elizabeth Milewski, gör livet intressant.

En oroande konsekvens av detta lapptäcke av regelverk är att ingen har ett direkt ansvar för att titta på långsiktiga effekter på miljön. Vi har en första uppfattning om populationsbiologin för dessa växter och insekter, mikrober och viruspopulationer, säger Neal Stewart, biolog vid University of North Carolina i Greensboro. Men vi vet väldigt lite om samhällets ekologi och praktiskt taget ingenting om ekosystemets ekologi för vad dessa gener kommer att göra. Och vi driver inte denna kunskap aktivt. Stewarts oro bar frukt i maj, när Cornell-forskare rapporterade att pollen från Bt-majs kan döda monarkfjärilarnas larver.

Enligt Sally McCammon, vetenskapsrådgivare till USDA Animal and Plant Health Inspection Service, kan biotekniska fältförsök vara av vilken storlek som helst och pågå hur länge som helst, även om ett eller två år är standarden. Ur företagens synvinkel är testerna försök att ta reda på om nya växtsorter kommer att fungera som avsett. Regeringens huvudsakliga uppgift, säger McCammon, är att intyga att testet är biologiskt inneslutet. Transgena växter måste hållas åtskilda från växter som de kan korspollinera. Efteråt måste man redogöra för det, säger McCammon. Vi ser till att du påsar det du tar ut och att växtmaterialet plöjs under.

Dessa åtgärder är nödvändiga enligt Snows sätt att tänka. Men genom att se till att transgena gener inte kommer ut i miljön, gör de det också omöjligt att lära sig vad som kommer att hända om de gör det. De ekologiska frågorna berörs inte ens, säger hon. Faktum är att det är olagligt att röra vid dem. Hon tror att miljön och industrin skulle vara bättre betjänt av att införa en andra nivå av tester ägnade åt ekologiska frågor. Ett annat steg, enligt hennes uppfattning, skulle vara att finansiera akademisk forskning om de ekologiska farorna - för närvarande den enda källan till federala medel, USDA:s bioteknikriskpanel, har en budget på mindre än 2 miljoner dollar.

Tekniska kontroller kan också vara möjliga, säger Gressel från Weizmann Institute. De flesta transgena grödor idag har en enda främmande gen. Men företag arbetar redan med att infoga flera gener samtidigt i växtens arvsmassa. I en artikel i maj i tidskriften Trends in Biotechnology hävdar Gressel att om dessa flera gener infogades i nära anslutning till varandra på kromosomen, skulle potentiella hybrider ärva dem alla på en gång. Och om de sekundära generna kodade för egenskaper som att förhindra dvala, skulle hybriderna vara mindre, inte mer, farliga än deras vilda föräldrar. För grödor spelar oförmågan att ligga vilande ingen roll, eftersom fröet skördas och planteras om varje år. Men ett ogräs som inte kan producera frö som kan förbli vilande tills ett lämpligt tillfälle att gro har en betydande nackdel. Hybridogräset kommer att vara svagare, inte starkare, säger Gressel.

Jag är mer orolig för framtiden än nuet, säger Ellstrand. Än så länge är det okej - vi har inga mördartomater som flyger genom luften. Men vi måste vara omtänksamma och försiktiga med vad vi gör, och det finns vissa människor och vissa delar av branschen där de har en bättre tradition av det än andra. Människor som har arbetat med växter ute i verkligheten verkar ha bättre koll på det än människor som har jobbat med kemikalier hela sitt liv. Om vi ​​fortsätter att uppmärksamma vad som händer på fältet, kanske vi kan få den här tekniken att förverkliga sitt löfte.

Dölj