Približne v roku 2050 sa očakáva, že svetová ľudská populácia dosiahne vrchol na úrovni 9 miliárd, čo zaťaží globálnu kapacitu na zabezpečenie dostatočnej energie, pitnej vody a potravy. Súčasná úroveň produkcie plodín nie je dostatočná na to, aby uživila predpokladanú populáciu. Uspokojenie tohto očakávaného dopytu sa preto považuje za veľkú výzvu pre ľudstvo. Bremeno uspokojovania týchto potrieb sa zvýši aj v dôsledku zmeny klímy, straty vodných zdrojov a zmenšovania plochy ornej pôdy. Manažment burín je nevyhnutný pre poľnohospodársku výrobu, manažment krajiny a životného prostredia a bude hrať dôležitú úlohu pri určovaní toho, či spĺňame budúce požiadavky na produkciu potravín.
Buriny sú pretrvávajúcim problémom a pokračujúci nárast počtu biotypov odolných voči herbicídom posilňuje ponaučenie, že technológia na kontrolu burín musí neustále napredovať, aby si udržala náskok pred adaptáciou burín. Našťastie rýchle tempo technologického pokroku a nové objavy v biologických vedách ponúkajú potenciál pre nové a vylepšené metódy manažmentu burín.
Optimistické hľadisko je, že inovácia v genetike plodín bude dostatočná na splnenie požiadaviek svetovej populácie s približne 9 miliardami ľudí, výzva na kontrolu burín tu však zostane na neurčito. Buriny sa budú aj naďalej vyvíjať a pretrvávať a my by sme to mali brať ako výzvu nájsť skutočne udržateľné riešenia pre jej manažment.
Cieľom tohto článku je opísať technológie manažmentu burín, ktoré sa môžu v priebehu nasledujúcich desaťročí podstatne zmeniť. Hoci sa priamo nezaoberáme biológiou burín, očakávame, že rovnaké pokroky vo vede a spracovaní informácií, ktoré prispievajú k novému manažmentu burín, podporia aj revolúciu v chápaní rastu a vývinu rastlín, reakcií na stres a environmentálnych interakcií. Pochopenie biológie a ekológie burín je skutočne neoddeliteľnou súčasťou trvalo udržateľného manažmentu, pretože populácie burín sa prispôsobujú a vyvíjajú v reakcii na nové selektívne tlaky.
Tradičné chemické herbicídy
Od začiatku 50. rokov do začiatku 80. rokov 20. storočia sa každých 2,5 až 3 roky komercializoval nový herbicídny mechanizmus účinku (MÚ). Od 80. rokov však neboli zavedené žiadne nové MÚ. A hoci jedna významná spoločnosť uviedla, že vyvíja širokospektrálny herbicíd s novým MÚ, neúprosný lineárny nárast burín s vyvinutou rezistenciou voči herbicídom od polovice 70. rokov minulého storočia vyvolal veľkú potrebu herbicídov s novými MÚ. Dokonca aj nové herbicídy so starými MÚ by boli vítané (za predpokladu, že nemajú krížovú rezistenciu voči prípadom vyvinutej rezistencie), ale dokonca došlo k poklesu zavádzania nových herbicídov so starými MÚ. S nárastom vyvinutej rezistencie voči herbicídom spolu s nedostatkom nových MÚ hrozí, že do roku 2050 budú takmer všetky existujúce herbicídy nepoužiteľné.
Nedostatok nových MÚ a spomalenie procesu objavovania herbicídov je pravdepodobne spôsobené niekoľkými faktormi, vrátane drastickej konsolidácie pesticídneho priemyslu, značnej devalvácie trhu s neglyfosátovými herbicídmi po zavedení plodín odolných voči glyfosátu, prísnejších regulačných požiadaviek na nové produkty (oveľa vyššie náklady na uvedenie nového produktu na trh) a znižujúci sa podiel na zvýšenej úrode z objavných prístupov. Použitie kombinatorickej chémie na lacnú výrobu obrovského množstva zlúčenín na testovanie vo vysokovýkonných hodnoteniach túto prekážku neprelomilo. Vo všeobecnosti sú nové herbicídy so starými MÚ a nové transgénne plodiny, ktoré sú odolné voči starým herbicídom (napr. 2,4-D a dicamba), len krátkodobými riešeniami niektorých existujúcich problémov s burinami, pretože rezistencia voči týmto herbicídom už existuje.
Nové miesta účinku pre herbicídy a biopesticídy
Budúcnosť chemickej kontroly závisí od objavu herbicídov s novými MÚ, čo však vyvoláva otázku – sú, či vôbec existujú nové, dobré cieľové miesta pre herbicídy?
V súčasnosti sa používa približne 25 komerčných cieľových miest herbicídov. Výskum s prírodnými fytotoxínmi preukázal niekoľko ďalších nových potenciálnych cieľových miest herbicídov. Vo väčšine týchto prípadov je však prírodný herbicíd príliš drahý, príliš toxický alebo mu chýbajú vhodné fyzikálno-chemické vlastnosti (napr. príjem a translokácia), aby bol dobrým herbicídom. Napriek tomu tieto zlúčeniny môžu ukázať cestu k objavu nových cieľových miest, ktoré môžu byť predmetom in vitro skríningu lacnejších a/alebo toxických zlúčenín s lepšími fyzikálno-chemickými vlastnosťami.
Jedným zo sľubných smerov je objavenie a vývoj nových herbicídov na báze prírodných produktov, ktoré sú vedľajšími produktmi mikroorganizmov alebo extraktov rastlín. Iba malá časť svetovej mikrobiálnej a rastlinnej biodiverzity bola testovaná na herbicídnu aktivitu. Vieme, že boli objavené zaujímavé herbicídne zlúčeniny s novými mechanizmami účinku a niektoré zlúčeniny boli veľmi úspešné komerčné herbicídy (napr. glufosinát na báze fosfinotricínu, produkt rozkladu bialaphosu objavený zo Streptomyces viridochromogenes a S. hygroscopicus výskumníkmi v Japonsku). Jedna spoločnosť už preskúmala vodné extrakty z približne 15 000 mikroorganizmov (baktérie, huby a aktinomycéty) a 350 rastlinných extraktov a našla niekoľko nových herbicídnych zlúčenín s novými spôsobmi účinku. Niektoré mikrobiálne kmene a rastlinný extrakt sú vo vývoji a sú sľubné ako nákladovo efektívne komerčné herbicídy. Na základe miery úspešnosti je však technicky náročnejšie vyvinúť nákladovo efektívny a širokospektrálny bioherbicíd ako biofungicíd, bioinsekticíd alebo bionematocíd. V 80. a 90. rokoch 20. storočia mnohé spoločnosti vyvíjali snahy o skríning prírodných produktov, ale príchod plodín odolných voči glyfosátu viedol k zrušeniu týchto prevádzok. Dnešné molekulárne a iné nástroje umožňujú oveľa cielenejší a informovanejší skríning prostredníctvom genomiky a metabolomiky.
RNA interferenčné herbicídy
Potenciálnou novou technológiou je použitie RNA na umlčanie kľúčových génov buriny prostredníctvom procesu RNA interferencie (RNAi), čo vedie buď k zvýšenej citlivosti burín na herbicídy, alebo k priamej smrti burín. Aplikovaná ako postrek má RNA veľký potenciál na ničenie burín, pretože sekvencie môžu byť navrhnuté tak, aby sa selektívne zamerali na špecifický druh buriny alebo skupinu príbuzných druhov burín. Prekážky blokujúce komerčnú implementáciu RNAi herbicídov zahŕňajú technické problémy, ako je formulácia RNA na dosiahnutie účinného príjmu do cieľovej rastliny ako foliárne aplikovaného produktu. Ďalšou výzvou je vývoj metód na ekonomickú produkciu RNA vo veľkom meradle, hoci náklady na to sa dramaticky znižujú. Okrem toho však nie je známe, ako rýchlo si buriny vyvinú rezistenciu voči RNAi herbicídom. Z regulačného hľadiska nie je jasné, ako dlho by trvala registrácia nového herbicídu založeného na tejto technológii. Neistý je aj odpor spotrebiteľských skupín. Žiaľ, neexistujú žiadne recenzované výskumné články na tému postrekovateľných RNAi na ochranu proti burinám, takže máme iba správy z konferencií, ktoré naznačujú, že vývoju tejto technológie sa venuje značné úsilie.
Genetické inžinierstvo
Ďalšie nové prístupy k vývoju herbicídov by mohlo umožniť genetické inžinierstvo. Napríklad fosfit bol navrhnutý ako herbicíd pred mnohými rokmi, ale problémom bola toxicita pre plodiny. Úprava metabolizmu fosfitu v plodinách tak, aby ho mohli transformovať na fosfát, môže eliminovať potrebu používania fosfátových hnojív a ničiť buriny. Okrem toho je fosfit toxický pre niektoré rastlinné patogény a zároveň indukuje obranné systémy rastlín proti patogénom. Pokračujúci pokles životaschopných herbicídov spôsobený zvýšením odolnosti proti burine spôsobí, že takéto inovatívne prístupy budú atraktívnejšie.
Revolučným prístupom k potlačeniu populácií škodcov je použitie technológie „gene-drive“. Hoci sa mechanizmy líšia, koncept zahŕňa genetický prvok, ktorý sa prenáša na potomstvo rýchlosťou vyššou ako 50 %, očakávaných od mendelovskej dedičnosti. Zatiaľ čo tento fenomén je známy už roky, objavenie systému genetickej úpravy CRISPR/Cas9 poskytuje jednoduchý a výkonný nástroj na generovanie génového pohonu. CRISPR/Cas9 je účinný pri vkladaní cielených mutácií do oboch alel jedinca, čo vedie ku konverzii z heterozygotného na homozygotný stav a k prenosu špecifického génu na takmer všetko potomstvo. To je veľký prísľub, pretože uvoľnenie organizmov obsahujúcich génový pohon by už za niekoľko generácií mohlo viesť k nahradeniu daného génu verziou, ktorú navrhli ľudia. Snáď najjednoduchším a najpresvedčivejším príkladom je návrh na odstránenie malárie vypustením komárov, ktoré nesú verziu génu s génovým pohonom, ktorý ohrozuje schopnosť komára slúžiť ako vektor parazita Plasmodium. Podobné nápady by sa dali použiť na potlačenie populácií burín napríklad tak, že by sa populácie láskavca palmerového (Amaranthus palmeri S. Wats.) odolného voči herbicídom, opäť stali náchylnými na glyfosát alebo dokonca priamo znehodnotili konkurenčnú výhodu invázneho druhu.
Technológia génového pohonu vyvoláva veľa problémov súvisiacich s etikou a potenciálnymi nezamýšľanými dôsledkami. Predstavuje však odvážny nový nástroj s potenciálom na riadenie ekosystémov. Obavy súvisiace s jeho nasadením môžu zabrániť tomu, aby sa tento prístup niekedy použil v rastlinnej výrobe. Táto technológia je mladá a ďalší výskum a vývoj stratégií na zmiernenie rizík by mohol viesť k prijatiu zo strany verejnosti. V každom prípade je príkladom prelomu, ktorý by mohol zásadne zmeniť manažment buriny v nasledujúcich desaťročiach.
Biologická kontrola burín
Prognóza stratégií, ktoré by sa mohli použiť na kontrolu burín v roku 2050, by bola neúplná bez zahrnutia biologickej kontroly buriny a bioherbicídov. Biologická kontrola je definovaná ako využitie prirodzeného nepriateľa alebo komplexu prirodzených nepriateľov – činidiel biologickej kontroly – na potlačenie burín. Agens môžu byť fytofágne článkonožce (hmyz a roztoče), rastlinné patogény (huby, baktérie, vírusy a háďatká), ryby (napr. amur), vtáky (napr. husi) a iné zvieratá (napr. ovce). Dovoz a používanie nepôvodných agensov z inej časti sveta na kontrolu (t. j. na potlačenie alebo zvládnutie) exotickej invazívnej buriny v jej novom domove sa nazýva „klasická biologická kontrola“. Použitie agens zvýšením ich populačnej hustoty nad normálnu úroveň, aby sa dosiahlo potlačenie burín, sa nazýva „stratégia augmentačnej biologickej kontroly“.
Pojem „bioherbicídy“ má dva významy. Po prvé, bol aplikovaný na podskupinu biologickej kontroly dosiahnutej hromadnou produkciou pôvodných patogénov burín a ich aplikáciou pri vyššej ako prirodzenej hustote populácie na potlačenie náchylných burín. Inými slovami, je to augmentačná stratégia, známa aj ako inundatívna biologická kontrola. Po druhé, tento výraz sa tiež používa podľa terminológie Agentúry pre ochranu životného prostredia USA na označenie troch typov herbicídov na biologickej báze: (1) biochemické herbicídy (mikrobiálne metabolity, zlúčeniny získané z rastlín a určité prirodzene sa vyskytujúce chemikálie); (2) mikrobiálne herbicídy obsahujúce živé alebo mŕtve rastlinné patogénne alebo nepatogénne mikróby, zmiešané alebo nezmiešané s ich metabolitmi; a (3) geneticky modifikované rastliny exprimujúce pesticídne (herbicídne) látky.
Predpokladá sa, že do roku 2050 budú zohrávať úlohu všetky vyššie uvedené typy biologicky založených metód kontroly burín, pretože majú prirodzené výhody relatívne nízkych nákladov na objavenie a používanie, majú dlhodobé výhody a udržateľnosť, účinnosť a šetrnosť k životnému prostrediu. Plodiny geneticky modifikované na produkciu chemikálií na boj proti burinám (alelochemikálie) predstavujú najmenej vyvinuté technológie biokontroly.
Klasická biologická kontrola pomocou článkonožcov a patogénov má za sebou dlhú a slávnu históriu praktického prínosu pre kontrolu buriny. Zohrala dôležitú úlohu v rôznych častiach sveta, často s úžasnými výsledkami, pri redukcii určitých exotických inváznych burín na zvládnuteľnú úroveň, čím poskytuje obrovské úspory nákladov na kontrolu a zároveň zmierňuje škody na životnom prostredí.
Zatiaľ čo klasická biologická kontrola je osvedčenou metódou na riadenie inváznych burín na nenarušených miestach, ako sú prírodné oblasti, lesy, pastviny, určité vodné útvary a pustatiny, nie je vhodná na kontrolu burín na poľnohospodárskych pôdach, ktoré sú narušené obhospodarovaním a pestovateľskými cyklami. Napriek tomu, s výhľadom do roku 2050 má investícia do klasickej biologickej kontroly burín hodnotu. Hoci výskum a nasadenie špecifických činidiel biologickej kontroly v niektorých prípadoch trvá desaťročie alebo viac, návratnosť investícií z úspešných prípadov zvyčajne trvá veľmi dlho a poskytuje zvyšujúcu sa návratnosť investícií.
Je potrebné, aby sa na vládnej úrovni riešili určité problémy našej schopnosti praktizovať biologickú kontrolu. Napríklad by mal existovať koordinovaný globálny rámec na uľahčenie zberu a zdieľania látok na biologickú kontrolu a na uvedenie látok na trh po dôkladnom, vedecky podloženom posúdení rizika pred uvedením na trh, na stanovenie bezpečnosti a účinnosti a na analýzu nákladov a prínosov.
Masová produkcia mikróbov aplikovaných ako bioherbicídy na potlačenie buriny je sľubnou metódou kontroly burín a v Kanade, Číne, Japonsku, Holandsku, Južnej Afrike a Spojených štátoch amerických bolo zaregistrovaných alebo schválených niekoľko činidiel na použitie ako herbicídne produkty. Hoci tieto bioherbicídy, ktoré sú na trhu, a tie, ktoré boli zaregistrované, ale v súčasnosti nie sú na trhu, do určitej miery poslúžili špecifickým potrebám klientov. Ich celkový príspevok k regulácii burín z hľadiska celkového použitia však bol extrémne malý v porovnaní s typickými chemickými herbicídmi. Platí to pre poľnohospodárske, ako aj environmentálne buriny a dôvody zahŕňajú nekonzistentnosť živých bioherbicídov vo výkonnosti v dôsledku nekontrolovateľných interakcií biotických činiteľov, klímy, charakteristík burín a niektorých technických aspektov, ako sú podmienky skladovania produktu a polčas rozpadu. Vyskytujú sa aj problémy s formuláciou a niekedy aj potreba špecializovanej aplikačnej technológie. Okrem toho sú hlavnými faktormi aj akceptácia tejto prevažne neznámej technológie používateľmi a konkurencia chemických herbicídov. Úzke spektrum týchto produktov ich ďalej predurčuje k špecializovaným produktom. Pri neustále sa zvyšujúcej odolnosti burín voči chemickým herbicídom by mohol byť účinný bioherbicíd proti A. palmeri rezistentnému voči herbicídom stále cenným produktom.
Aby boli budúce mikrobiálne herbicídy v nadchádzajúcich desaťročiach širšie akceptované a relevantné, musia byť schopné kontrolovať viacnásobné, nie jednotlivé, ciele burín. Ich účinnosť by mala byť založená na určitých stabilných génových funkciách alebo metabolitoch, ktoré môžu fungovať nezávisle od menších výkyvov teploty okolia a podmienok vlhkosti na poli. Okrem toho by v nasledujúcich desaťročiach malo byť cieľom pochopiť, ako určité patogény zabíjajú rastlinné bunky, tkanivá alebo celé rastliny. Pre tento účel musí pokračovať práca na konvenčnom vyhľadávaní a skríningu na nájdenie vhodných párov burina-patogén, ktoré by slúžili ako modely na štúdium. Napríklad systémy hostiteľ-patogén, v ktorých je patogenita riadená interakciou gén pre gén, by sa mohli použiť na štúdium toho, ako sa spúšťa a kaskáduje systémová nekróza vedúca k smrti rastlín. Existujú vzrušujúce možnosti použitia omických metód na objavenie génov burín a patogénov a génových produktov, ktoré sa podieľajú na konečnom výsledku herbicídu. Keď sa získajú ďalšie poznatky o interakciách rastlina-patogén, používanie novších molekulárnych metód založených na RNAi, malej interferujúcej RNA a CRISPR/Cas9 bude hrať významnú úlohu pri objavovaní novších produktov a metód kontroly buriny. Tieto novšie molekulárne genetické prístupy k regulácii burín sa ľahšie použijú, ak sa považujú za reguláciu založenú na biologickom základe a ako také sú regulované.
Autor: prof. James Westwood a kol., Virginia Polytechnic Institute and State University
Preložil a redakčne spracoval Ing. Tomáš Baran.
