charakterystyka wybranych gatunków biegaczowatych (coleoptera

charakterystyka wybranych gatunków biegaczowatych (coleoptera

Progress in Plant Protection/Postępy w Ochronie Roślin 50 (4) 2010
CHARAKTERYSTYKA WYBRANYCH GATUNKÓW
BIEGACZOWATYCH (COLEOPTERA: CARABIDAE)
POD KĄTEM ICH PRZYDATNOŚCI DLA OCENY RYZYKA
I MONITORINGU UWALNIANIA GMO DO ŚRODOWISKA
MARCIN GRABOWSKI1, PAWEŁ K. BEREŚ2, ZBIGNIEW T. DĄBROWSKI1
1
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
Katedra Entomologii Stosowanej
Nowoursynowska 159, 02-787 Warszawa
[email protected]
2
Instytut Ochrony Roślin – Państwowy Instytut Badawczy
Terenowa Stacja Doświadczalna
Langiewicza 28, 35-101 Rzeszów
[email protected]
I. WSTĘP
Obecnie istnieją poważne podziały wśród środowiska naukowego, polityków i społeczeństwa dotyczące wprowadzenia do uprawy roślin zmodyfikowanych genetycznie
(genetically modified – GM) w Polsce.
Celem tego opracowania jest próba pogodzenia poglądów części ekologów i społecznych grup pro-ekologicznych z toczącymi się dyskusjami na forum międzynarodowym, dotyczących opracowania racjonalnej metodyki analizy ryzyka i monitoringu
populacji gatunków niedocelowych, po wprowadzeniu odmian GM do uprawy. Różnice
dotyczą zakresu prowadzenia badań: czy uwzględniać wszystkie gatunki czy tylko
wskaźnikowe (ang. bio-indicators) (Dąbrowski i Górecka 2007; Lövei 2008). Jako
przykład wybrano biegaczowate (Carabidae), grupę powszechnie uważaną za wskaźnik
jakości środowiska.
II. TRANSGENICZNE ODMIANY KUKURYDZY
Z EKSPRESJĄ TOKSYCZNEGO BIAŁKA CRY NA OWADY
Obecnie uprawia się i/lub bada w Europie odmiany kukurydzy zmodyfikowanej genetycznie z następującymi cechami, decydującymi o ich odporności na szkodniki:
1. MON 810 z ekspresją białka Cry 1 Ab, pochodzącego z Bacillus thuringiensis spp.
kurstaki i toksycznego dla gąsienic motyli, szkodników zielnych części kukurydzy;
Charakterystyka wybranych gatunków biegaczowatych
1603
2. MON 863 i MON 88017 z ekspresją białka Cry 3 Bb1, toksycznego dla inwazyjnego szkodnika – zachodniej kukurydzianej stonki korzeniowej (Diabrotica virgifera
virgifera Le Conte). Białka Cry 3 działają specyficznie na chrząszcze (Coleoptera)
i są produkowane przez bakterię B. thuringensis spp. tenebrionis;
3. MIR 604 z ekspozycją toksycznego białka dla chrząszczy – Cry 3 A;
4. DAS-59122-7 – z ekspozycją Cry 34 Ab1 i Cry 35 Ab1.
Specyfika działania poszczególnych toksycznych białek na owady z rzędu motyli
(Lepidoptera) i chrząszczy (Coleoptera) wskazuje, że efekty ich potencjalnego wpływu
na inne grupy stawonogów (Arthropoda) mogą być określane jako:
1. niezamierzone, ale przewidywalne, jeżeli dotyczą gatunków należących do tej samej
grupy taksonomicznej, jak np. gąsienice motyli w przypadku Cry 1 Ab lub chrząszcze w obecności białka Cry 3;
2. niezamierzone i nieprzewidywalne wpływy na środowisko (ang. unintended non
predictable effects), gdy oddziałują na inne grupy taksonomiczne niż organizm docelowy, np. na przędziorki (Tetranychidae); pluskwiaki (Hemiptera), etc. dla obu
białek Bt.
III. BIEGACZOWATE JAKO GATUNKI WSKAŹNIKOWE
ODDZIAŁYWANIA ODMIAN KUKURYDZY GM
Z EKSPRESJĄ TOKSYCZNYCH BIAŁEK CRY
W szeregu krajach szczególną uwagę zwrócono na oddziaływania tych odmian na
biegaczowate (Carabidae). Grupa ta spełnia szereg kryteriów stawianych przez ekspertów mających osobiste doświadczenia w badaniach nad analizą ryzyka i monitoringiem
zmian po uwolnieniu roślin GM do środowiska (EFSA 2008). Biegaczowate mają
szczególne znaczenie na użytkach rolnych zarówno ze względu na ilość występujących
tam gatunków i osobników, jak i ze względu na ich rolę biologiczną. Są uważane za
grupę stawonogów, których obecność wskazuje na jakość środowiska biologicznego.
Jednak ze względu na swoje szerokie preferencje pokarmowe larw i osobników dorosłych, znaczący zasięg aktywności i wrażliwość na mikroklimat mogą sprawiać kłopoty
w czasie interpretowania wyników (Kromp 1999).
Wydaje się, że planując badania nad oddziaływaniem kukurydzy z ekspresją białka
Cry-1-Ab (specyficznego w działaniu na Lepidoptera) w doświadczeniach polowych
związanych z poszerzoną analizą ryzyka, kierowano się raczej postulatami grup proekologicznych niż prawdopodobieństwem możliwych negatywnych wpływów na tę
grupę stawonogów.
IV. METODYKA WYBORU GATUNKÓW WSKAŹNIKOWYCH
DLA OCENY RYZYKA I MONITORINGU
Przedstawiciele organizacji pro-ekologicznych kwestionują ogólny wniosek o braku
wpływu roślin GM z ekspresją białek Cry-1-Ab na populacje niedocelowych grup stawonogów, odnosząc się do odmiennych warunków klimatycznych, geograficznych
i specyficznej struktury agrarnej w różnych krajach, w Europie (FEE 2006). Stąd
1604
Progress in Plant Protection/Postępy w Ochronie Roślin 50 (4) 2010
w pierwszym programie badawczym w Polsce nad oddziaływaniem kukurydzy
MON 810 na środowisko, prowadzonym w warunkach polowych, uwzględniono pracochłonne obserwacje nad Carabidae (IHAR 2008).
W ramach tego programu podjęto próbę określenia kryterium wyboru gatunków
biegaczowatych dla określenia ich roli w przepływie toksycznego białka Cry-1-Ab
poprzez układy troficzne. Wyniki badań innych autorów wskazują, że tylko doświadczenia prowadzone w standardowych warunkach laboratoryjnych mogą jednoznacznie
potwierdzić zakres przepływu toksycznego białka pomiędzy poszczególnymi układami
troficznymi. Dlatego wybór gatunku, który by spełniał wymagania stawiane gatunkom
wskaźnikowym musi opierać się na pewnych kryteriach (EFSA 2008).
W ciągu sezonu wegetacyjnego 2008 regularnie wyłapywano biegaczowate do pułapek Barbera w 4,2 ha uprawie kukurydzy w okolicach Łańcuta, a w 2009 r. w 4,0 ha
uprawie kukurydzy w okolicach Szymanowa. Zebrane próby oznaczono do gatunku
(Twardowski i wsp. 2009).
Strukturę gatunkową Carabidae odniesiono do badań przeprowadzonych w Czechach, jako regionie o zbliżonych warunkach klimatyczno-glebowych (Sehnal i wsp.
2004; Habuštova i Sehnal 2007).
Pierwszym kryterium przyjętym przy wyborze gatunków wskaźnikowych była ich
dominująca liczebność w zgrupowaniach Carabidae w uprawach kukurydzy (tab. 1).
Tabela 1. Kryterium dominacji w zgrupowaniach biegaczowatych w uprawach kukurydzy w wybranych regionach zagrożonych stratami ekonomicznymi, powodowanymi przez omacnicę prosowiankę w Polsce (2008–2009) i Czechach (2004)
Table 1. Criterion of species domination in the carabid (Coleoptera: Carabidae) communities in
maize fields in some regions threatened by European corn borer in Poland (2008–2009)
and Czech Republic (2004)
% udział gatunku – % species frequency
Gatunek
Species
Pterostichus melanarius
Morawy
Podkarpackie Mazowieckie
(Sehnal i wsp.
(2008)
(2009)
2004)
55,1
10,2
29,9
Poecilus cupreus
0,3
2,0
21,9
Calathus fuscipes
0,07
23,4
14,3
Bembidion quadrimaculatum
1,7
0,4
11,2
34,0
35,5
5,9
Pseudoophonus rufipes
Drugim kryterium była preferencja pokarmowa gatunków występujących w uprawach kukurydzy. Białko Cry 1 Ab może dostawać się do ciała roślinożernych stawonogów i ślimaków, będących pokarmem dla biegaczowatych, dlatego do badań laboratoryjnych należy wybrać gatunki zoofagiczne biegaczowatych, dominujące w uprawach
kukurydzy. Jednocześnie toksyczne białko Cry 1 Ab może dostać się do ciała biegaczowatych poprzez pokarm roślinny lub resztki roślin kukurydzy w glebie.
Charakterystyka wybranych gatunków biegaczowatych
1605
Tabela 2. Kryterium preferencji pokarmowych i znaczenia poszczególnych gatunków Carabidae
w układach troficznych
Table 2. Criterion of food preference and the role of individual Carabidae species in the trophic
relations in two regions of Poland
Preferencje
pokarmowe
Food preference
Gatunek
Species
Pterostichus melanarius
Zoofagi
Carnivorous
Fitofagi
Phytophagous
Podkarpackie
(2008)
Mazowieckie
(2009)
55,1
10,2
Dolichus halensis
5,3
1,1
Broscus cephalotes
0,03
13,7
Anchomenus dorsalis
0,24
Calathus fuscipes
Hemizoofagi
Hemiphagous
% udział gatunku – % species frequency
Pseudoophonus rufipes
0,07
33,4
0,37
23,5
35,5
Harpalus affinis
0,03
0,18
Amara apricaria
0,03
0
Amara aenea
0
0,18
Amara bifrons
0
0,18
Amara fulva
0
0,18
Tabela 3. Proponowane gatunki do przeprowadzenia analiz laboratoryjnych nad zawartością
toksycznego białka Cry 1 Ab w ciele zoofagicznych i fitofagicznych biegaczowatych
Table 3. Proposed species for the laboratory analysis of Cry 1 Ab protein content in the carnivorous and phytophagous carabids.
Drapieżniki – Predators
Pterostichus melanarius
Fitofagi – Phytophagous
Amara apricaria
Dolichus halensis
Amara aenea
Broscus cephalotes
Amara bifrons
Anchomenus dorsalis
Amara fulva
Calathus fuscipes
Pseudoophonus rufipes
V. PODSUMOWANIE
Wykonana analiza będzie szczególnie przydatna w czasie prowadzenia badań nad
oddziaływaniem odmian kukurydzy z ekspresją genu Cry 3. Produkowane przez roślinę
białko Cry 3 jest toksyczne dla zachodniej kukurydzianej stonki korzeniowej i nie można wykluczyć jego oddziaływania na inne gatunku z rzędu chrząszcze (Coleoptera).
Biorąc pod uwagę inwazyjny charakter rozprzestrzeniania się zachodniej kukurydzianej stonki korzeniowej i ograniczenia stosowania preparatów glebowych o dłuższym okresie działania, wydaje się, że wprowadzenie do uprawy odmian z ekspresją
białka Cry w Europie, jest tylko kwestią czasu. Zwalczanie tego gatunku szkodnika
kukurydzy przy pomocy trwałych chemicznych środków ochrony roślin pod koniec lat
1606
Progress in Plant Protection/Postępy w Ochronie Roślin 50 (4) 2010
40. i intensywne w latach 50. XX wieku przyczyniło się do powstania znanych później
zagrożeń dla środowiska w USA.
Praca wykonana w ramach projektu badawczego zamawianego Nr 5100504120032
PBZ-MNiSW- 06/1/2007.
VI. LITERATURA
Dąbrowski Z., Górecka J. 2007. Metodyka oceny ryzyka uprawy odmian zmodyfikowanych genetycznie odpornych na szkodniki. Prog. Plant Protection/Post. Ochr. Roślin 46 (1): 180–188.
European Food Safety Authority (EFSA) 2008. Environmental Risk Assessment of Genetically
Modified Plants – Challenges and Approaches. EFSA Scientific Colloquium Sumamry Report
8, 159 pp.
Friends of Earth Europe (FEE) 2006. What’s wrong with an EFSA opinion.
http://www.foeeurope.org/publications/2006hidden uncertainties.pdf.
Habuštova O., Sehnal F. 2007. Czteroletnie badania polowe nad oddziaływaniem kukurydzy Bt
na zespoły stawonogów (Arthropoda). Kosmos 56 (3–4): 276–277.
Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin (IHAR) 2008. Projekt badawczy zamawiany „Środowiskowe i ekonomiczne aspekty dopuszczenia uprawy roślin genetycznie zmodyfikowanych
w Polsce”. Załącznik 13, Mikrograf, IHAR, Radzików, 34 ss.
Kromp B. 1999. Carabid beetles in suistainable agriculture: a review on pest control efficacy, cultivation impacts and enhancement. Agriculture, Ecosystems and Environmental 74: 187–228.
Lövel G. 2008. Testing non-target organisms – the ecological approach. p. 67–68. In: Environmental Risk Assessment of Genetically Modified Plants – Challenges and Approaches. European Food Sagfety Authority. Summary Report EFSA Scientific Colloquium 8, 159 pp.
Sehnal F., Habuštova O., Spitzer L., Hussein H.M., Ruzicka B.V. 2004. A biannual study on the
environmental impact of Bt maize. IOBC/WPRS Bull. 27 (3): 147–160.
Twardowski J.P., Bereś P., Hurej M., Klukowski Z. 2009. Ground beetles (Col., Carabidae) in Btmaize – first field large scale experiment in Poland. Abstracts talks. Programme 4th EIGMOMeeting, Rostock, Germany, 14–16 May 2009, IOBC/WPRS, p. 83.
MARCIN GRABOWSKI, PAWEŁ K. BEREŚ, ZBIGNIEW T. DĄBROWSKI
CHARACTERISTIC OF SELECTED CARABID SPECIES (COLEOPTERA:
CARABIDAE) AND THEIR SUITABILITY FOR ERA AND MONITORING
OF GMO RELEASE TO THE ENVIRONMENT
SUMMARY
Based on the recent international discussions on environmental risk assessment (ERA) for genetically modified (GM) plants, the carabids’ community of maize fields were choosen for establishing
and developing a methodology to select a proper bio-indicators. The GM maize varieties expressing
toxin Cry 1 and Cry 3 may differently affect biology of carnivorous and phytophagous carabids and
the flow of the toxin between trophic levels. Two criteria were used to select carabid species for the
future standard laboratory tests: (a) prevalence in the communities of two experimental maize fields in
central and south-eastern Poland as compared to Czech and (b) their food preference.
Key words: carabidae, ERA, Cry 1 Ab, Cry 3, maize