4 Ziemniak Polski 2006 nr 2
Hodowla i genetyka
ZIEMNIAK JAKO ROŚLINA MODELOWA
W BADANIACH NAD BEZPIECZNĄ ŻYWNOŚCIĄ
dr Bogdan Flis
IHAR, Oddział w Młochowie, 05-831 Młochów, b.flis@ihar.edu.pl
ostatnim okresie w Polsce zachodzą niezwykle dynamiczne zmiany w pro-dukcji ziemniaka. Nastąpił gwałtowny spadek powierzchni uprawy. Ziemniak traci na zna-czeniu jako pasza. Staje się przede wszyst-kim rośliną jadalną, ale nie jest podstawą wyżywienia. Odchodzi się także od tradycyj-nego, jadalnego użytkowania ziemniaka w kierunku spożycia w formie frytek, chipsów i wykorzystywania różnych półproduktów. W tej sytuacji podstawowego znaczenia nabie-ra problem jakości, a zwłaszcza kwestia wy-twarzania zdrowych i bezpiecznych produk-tów żywnościowych.
Problematyka bezpiecznej żywności jest obecnie przedmiotem ożywionej publicznej debaty w krajach europejskich. Wśród kon-sumentów panuje powszechne przekonanie, że bezpieczna żywność nie istnieje, a proce-dury stosowane do oceny ryzyka związane-go z bezpieczną żywnością nie są wiaryzwiązane-god- wiarygod-ne. Na takie podejście ogromny wpływ mają niekorzystne zjawiska o dużej skali, które pojawiają się w procesie produkcji żywności. Dla przykładu można wymienić problem BSE, dioksyny w paszach i żywności, po-wstanie patogenicznego szczepu
Escheri-chia coli, problem poliakrylamidów w
produk-tach poddawanych obróbce w wysokich temperaturach (nb. uważa się, że ziemnia-czane chipsy zawierają największe ilości tych rakotwórczych związków).
Drugą ważną przyczyną uwrażliwienia konsumentów było wprowadzenie do uprawy roślin genetycznie zmodyfikowanych (GM).
Stanowisko europejskie w stosunku do roślin GM jest wstrzemięźliwe, ale w innych kra-jach uprawia się takie rośliny na coraz szer-szą skalę. Zamknięcie rynku europejskiego lub ograniczanie wymiany handlowej z tymi krajami jest niemożliwe do zrealizowania. W efekcie Europejczycy stykają się z produk-tami żywnościowymi pochodzącymi z roślin GM.
Ocena ryzyka związanego z roślinami GM i produktami z nich pochodzącymi jest pro-cesem złożonym i obejmującym wiele wąt-ków, ale wiedza konsumentów na ten temat jest w praktyce żadna. W rzeczywistości rośliny GM są poddawane o wiele bardziej szczegółowym analizom niż rośliny (odmia-ny) otrzymywane przy użyciu innych metod hodowlanych. Analizy te sprowadzają się do wykazania, że pod względem określonych cech odmiana GM nie różni się istotnie od odpowiednio dobranych odmian wzorcowych lub od odmian wyjściowych poddanych transformacji genetycznej. Ale to nie wszyst-ko, bo hodowca odmiany GM musi wykazać, że transgeniczne rośliny nie wytwarzają np. alergenów, podczas gdy hodowca odmiany „tradycyjnej”, poza rutynowymi ocenami cech jakości, nie jest do takich testów zobowiąza-ny.
Przeciętny konsument jest bardzo zanie-pokojony, że pojawia się żywność z roślin GM, choć były one badane o wiele dokład-niej niż odmiany tradycyjne. Obawia się bo-wiem, że nowe geny wprowadzone do rośli-ny metodami inżynierii genetycznej oprócz
W
Ziemniak Polski 2006 nr 2 5 skutków pozytywnych mogą wywoływać
nie-pożądane skutki uboczne. Ten sam konsu-ment jest jednocześnie zupełnie nieświado-my faktu, że „tradycyjna” żywność może po-chodzić z roślin, które powstały w wyniku wielokrotnych krzyżowań z gatunkami dziki-mi, np. dla podniesienia poziomu odporności na choroby lub szkodniki. Można oczekiwać, że mechanizmy naturalnej odporności mogą być związane z produkcją potencjalnie szko-dliwych metabolitów wtórnych. Wiadomo, że wraz z pożądanymi genami z gatunków dzi-kich hodowca przenosi do nowo tworzonych mieszańców całe zespoły cech niepożąda-nych, które stara się wyeliminować lub obni-żyć ich poziom na dalszych etapach hodowli. Niektóre z tych cech można łatwo zmierzyć, jak zawartość glikoalkaloidów w bulwach ziemniaka (w gatunkach dzikich ich poziom jest wysoki i szkodliwy). Badane są również inne cechy wpływające na wartość odżywczą (zawartość skrobi, białka, witaminy C), ale wyniki takich ocen służą raczej do charakte-ryzowania materiału hodowlanego niż do selekcji (wyjątkiem jest zawartość skrobi).
Podobne problemy pojawiają się, gdy żywność produkowaną w systemie tradycyj-nej uprawy (rolnictwo z intensywnym nawo-żeniem i stosowaniem środków ochrony ro-ślin) przeciwstawia się żywności produkowa-nej w systemach „proekologicznych” (rolnic-two zrównoważone, organiczne, niskonakła-dowe). Słusznie zakłada się, że produkt nie-skażony pozostałościami pestycydów jest bezpieczniejszy dla konsumenta. Nadal jed-nak pomija się fakt, że w roślinach niechro-nionych, np. w bulwach ziemniaka, mogą rozwijać się patogenne grzyby wytwarzające toksyny potencjalnie jeszcze bardziej szko-dliwe niż pozostałości pestycydów. To, że nawożenie organiczne pozwala produkować bezpieczną żywność, a stosowanie sztucz-nych nawozów mineralsztucz-nych prowadzi do szkodliwych efektów ubocznych (zakładając, że ich dawki odpowiadają właściwej praktyce rolniczej), wydaje się jeszcze trudniejsze do udowodnienia.
We współczesnym świecie produkcja rol-nicza staje się coraz bardziej zróżnicowana, aby móc zaspokajać potrzeby konsumentów, producentów i przemysłu przetwórczego w zakresie większej wartości odżywczej i bez-pieczeństwa. Zróżnicowanie produktów
po-ciąga za sobą potrzebę wytwarzania nowych odmian. Istnieje zatem potrzeba udoskona-lenia stosowanych metod oceny ryzyka związanego z żywnością produkowaną w różnych systemach uprawy (rolnictwo trady-cyjne, zintegrowane, organiczne) i z użyciem odmian wytworzonych różnymi metodami hodowli. Aby takie nowe metody oceny ryzy-ka powstały, należy odpowiedzieć na nastę-pujące pytania:
● Czy metoda hodowlana może zwiększyć ryzyko (porównanie hodowli tradycyjnej z hodowlą stosującą metody inżynierii gene-tycznej lub techniki in vitro)?
● Czy różne systemy uprawy wiążą się z różnym ryzykiem?
Oddział Instytutu Hodowli i Aklimatyzacji Roślin w Młochowie bierze obecnie udział w projekcie badawczym finansowanym przez UE, którego celem jest znalezienie odpowie-dzi na te pytania i stworzenie nowej, zinte-growanej oceny ryzyka związanego z produ-kowaną żywnością. Okazało się, że ziemniak jest rośliną, która dobrze sprawdza się w tego typu badaniach. Ziemniak uprawny ce-chuje się dużą zmiennością cech. Wiele od-mian wyróżniających się przydatnością do bezpośredniej konsumpcji charakteryzuje się bardzo zróżnicowanym poziomem odporno-ści na patogeny wirusowe i grzybowe.
Oddział IHAR w Młochowie od kilkudzie-sięciu lat tworzy materiały wyjściowe dla hodowli ziemniaka. Materiały te charaktery-zują się „naturalną” odpornością na choroby (zwłaszcza wirusowe i grzybowe) i szkodniki ziemniaka. W Młochowie utrzymywana jest także kolekcja transgenicznych linii ziemnia-ka odpornych na nekrotyczny izolat wirusa Y, które powstały w Instytucie Biochemii i Biofizyki PAN w Warszawie. Zatem w bada-niach będą brały udział formy wyhodowane w tradycyjny sposób (odmiany i rody ziem-niaka), o szerokim spektrum różnych odpor-ności (od podatnych do odpornych). Ocena takich materiałów pozwoli na stworzenie punktu odniesienia w stosunku do materia-łów uzyskanych metodami niekonwencjonal-nymi (tj. dla oceny form transgenicznych) odpornych na nekrotyczny izolat wirusa Y.
Ziemniak z powodu swoich właściwości wydaje się rośliną idealną do transformacji genetycznej: (a) rozmnaża się wegetatywnie, nie trzeba, więc prowadzić krzyżowań
pier-6 Ziemniak Polski 2006 nr 2
wotnych form transgenicznych dla otrzyma-nia transgenicznego potomstwa, (b) stosun-kowo łatwo przechodzi przez etap kultur tkankowych po transformacji i łatwo jest utrzymywać linie transgeniczne in vitro. Na-leży jednak dodać, że jak dotąd ziemniak transgeniczny nigdzie nie odniósł komercyj-nego sukcesu. W praktyce próby wprowa-dzenia ziemniaka GM nie powiodły się ani w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej (próba wprowadzenia odmian GM odpornych na wirus liściozwoju i/lub wirus X), ani w Eu-ropie (odmiana GM o bezamylozowej skrobi) – z powodu wad odmian GM, które prze-oczono w trakcie badań, ale nie mających związku z bezpieczeństwem (w USA), a przede wszystkim z powodu działalności przeciwników organizmów genetycznie zmo-dyfikowanych.
We wspomnianym wcześniej projekcie będą oceniane również różne systemy uprawy: (a) z użyciem nawozów mineralnych i pełną ochroną roślin, (b) systemy organicz-ne z zastosowaniem wyłącznie obornika, bez chemicznej ochrony roślin, (c) systemy ni-skonakładowe, z zastosowaniem obornika i ograniczonej liczby zabiegów ochrony che-micznej. Ocena odmian lub rodów ziemniaka uprawianych w systemie „wysokonakłado-wym” pozwoli na stworzenie wzorca, do któ-rego będzie można przyrównać te same od-miany lub rody uprawiane w systemach „proekologicznych”.
Istotną cechą projektu są metody, jakie będą stosowane do oceny materiału roślin-nego (bulw) i tworzenia wspomnianych wzorców i porównań. Będą zastosowane nowoczesne metody, które pozwolą ocenić skład białek i pozostałych metabolitów w bulwach różnych odmian i rodów ziemniaka. Tworzone będą profile metaboliczne i biał-kowe, umożliwiające identyfikację i ilościowe oznaczanie różnych metabolitów lub samych białek, a co za tym idzie ocenę ich zmienno-ści w odpowiedzi na zmienne warunki upra-wy i/lub zmienne czynniki genetyczne od-działujące na rośliny ziemniaka. Mówiąc ina-czej, będą zastosowane metody metabolo-miki i proteometabolo-miki, które są stosunkowo no-wymi naukami.
Metabolomika to nauka o całości związ-ków niebiałkowych w organizmie (witami-nach, cukrach, kwasach tłuszczowych i
in-nych związkach, które tworzą metabolom). Stosuje się w niej metody pozwalające na całościową analizę tych związków. Do nie-dawna analizie można było poddawać poje-dyncze związki chemiczne, stosując chroma-tografię, spektrometrię masową lub spektro-skopię magnetycznego rezonansu jądrowe-go. Obecnie, dzięki rozwojowi specjalistycz-nej aparatury, możliwe stało się analizowa-nie całych zbiorów związków chemicznych. Należy pamiętać, że metabolom jest bardzo złożony, gdyż w jego skład wchodzą bardzo zróżnicowane związki chemiczne: rozpusz-czalne w tłuszczach lub w wodzie, kwaśne lub zasadowe, związki stabilne i takie, które łatwo się utleniają. Nie istnieje uniwersalna technologia (aparatura) do badań metabo-lomu, a wymienione metody badania zespo-łów związków stosuje się z reguły razem. Profil metaboliczny może potencjalnie zawie-rać 300–500 składników. Niezbędnym eta-pem jest porównanie wyników z danymi za-wartymi w istniejących i ciągle rozbudowy-wanych bazach danych, dzięki czemu moż-na składniki identyfikować lub wykrywać no-we. Można też porównywać różne profile i stwierdzać różnice w jakości i ilości metaboli-tów w badanych organizmach, w odpowiedzi na działanie czynników środowiskowych (np. systemu uprawy), rozwojowych lub gene-tycznych (np. porównanie formy odpornej z nieodporną lub formy transgenicznej z formą wyjściową nietransformowaną). Do prowa-dzenia takich porównań niezbędne są za-awansowane techniki komputerowe i metody statystyki matematycznej. Umożliwiają one przetwarzanie ogromnej liczby danych (ob-serwacji) tak, aby ułatwić ostateczną ich analizę.
Proteomika to nauka o zespole wszyst-kich białek w organizmie, czyli proteomie. Zasadniczo do analizy jakościowej i ilościo-wej białek stosuje się podobne metody jak w metabolomice, a mianowicie chromatografię (lub elektroforezę) do rozdzielania mieszanin białek obecnych w organizmie oraz spektro-metrię masową do identyfikacji tych białek. Tak jak w metodach metabolomiki trzeba stosować techniki komputerowe do przeszu-kiwania baz danych i do obliczeń statystycz-nych. Proteomika pozwala na charakteryzo-wanie struktury i funkcji białek. Umożliwia też
Ziemniak Polski 2006 nr 2 7 lokalizowanie białek w różnych obszarach
komórki.
Proteomika i metabolomika poszerzają naszą wiedzę na temat funkcjonowania or-ganizmów żywych. W praktyce obydwie na-uki mogą znaleźć największe zastosowanie w medycynie, nauce o żywieniu i hodowli. Jakie są możliwe zastosowania metabolomi-ki i proteomimetabolomi-ki, gdy mówimy o bezpiecznej żywności? Wydaje się, że techniki te w przy-szłości mogą posłużyć do:
● precyzyjnego określania źródeł pocho-dzenia żywności;
● wykrywania skażeń, zanieczyszczeń, fałszerstw;
● kontrolowania procesów produkcji (na różnych etapach);
● analizy żywności GM i tej pochodzącej z roślin wyhodowanych tradycyjnie, tj. do iden-tyfikacji alergenów i związków toksycznych; ● tworzenia proteo- i metabolomicznych baz danych;
● ścisłego zdefiniowania pojęć „smaku” i „odżywczości”;
● stworzenia nowej, zintegrowanej analizy ryzyka związanego z żywnością.
Badanie całych zespołów związków che-micznych umożliwi stworzenie obiektywnej oceny żywności. Jednak trzeba pamiętać, że ostatecznym testem będzie jak zwykle decy-zja konsumenta. Na tę decyzję mają ogrom-ny wpływ bardzo proste czynniki, np. wygląd bulw i ich smak po ugotowaniu. Wiadomo, że smak bulw zależy od odmiany i sposobu jej uprawy. Jednym z celów rolnictwa „proeko-logicznego” jest w przypadku ziemniaka zdrowsza i przede wszystkim smaczniejsza bulwa. Należy jednak wiedzieć, że tylko nie-które odmiany uprawiane w systemach rol-nictwa organicznego reagują w oczekiwany sposób, tj. ich bulwy są smaczniejsze niż bulwy z roślin uprawianych w warunkach intensywnej uprawy z nawożeniem wyłącz-nie mineralnym i pełną ochroną chemiczną. Istnieją odmiany, których bulwy smakują równie dobrze lub nawet lepiej właśnie wte-dy, gdy rośliny były intensywnie uprawiane. Zatem sama uprawa „proekologiczna”, bez odpowiednio dobranych odmian ziemniaka, nie przynosi oczekiwanego rezultatu, którym jest produkcja bulw o lepszym smaku.