Ген — хранитель кукурузы

Вредитель, прилетевший на метле

Стеблевой мотылёк (Ostrinia nubilalis) — маленькая бабочка с «пыльными» крылышками родом из Евразии. Сама она живёт не более трёх недель и не несёт опасности для растений, чего не скажешь о её гусеницах.

Гусеницы стеблевого мотылька вгрызаются в листья и выедают стебли растений изнутри. Причём они полифаги — питаются более чем 250 видами культурных и диких растений: пшеницей, просом, ячменём, овсом, хмелем, соей, сорго, горохом и другими. Но истинной грозой полей мотылёк стал уже в XX веке, когда попробовал на вкус кукурузу Северной Америки.

Полифаги — животные , способные питаться азнообразной пищей. Это помогает им выживать в суровых условиях и приспосабливаться к изменениям в окружающей среде. Именно благодаря полифагии, например, тараканы расселились по всему миру.

В Северной Америке впервые стеблевого мотылька заметили на полях сладкой кукурузы вблизи Бостона (США) в 1917 году. Позже оказалось, что к тому моменту он успел долететь и до севера, до полей Канады.

По одному из предположений, вредитель попал на континент в начале 1910-х годов на веничном сорго — растении семейства злаков, которое отлично подходит для создания мётел и веников. Если у вас есть домашний жёлтый веник, скорее всего, он тоже сделан из него.

Кукуруза страдает от стеблевого мотылька больше других растений, потому что личинки прогрызают у неё не только стебель, но и метёлки, молодые початки и основания листьев. Повреждение метёлок приводит к их усыханию, а чем меньше метёлок, тем хуже опыление. Затронутые початки просто не дозревают. Продырявленные стебли и основания листьев становятся настолько хрупкими, что под порывами ветра и весом початков часто обламываются.


Каждая личинка может уничтожить от 3% до 7% урожая. Из-за такого разрушительного воздействия на кукурузу стеблевого мотылька начали называть огнёвкой кукурузной. И сегодня это название более распространено.

Как фермеры борются с огнёвкой кукурузы традиционными методами?

1. Максимально низкое срезание растений при уборке урожая, потому что кукурузная огнёвка зимует как раз в нижней части стебля. Затем с поля необходимо убрать остатки растений.
   

2. Уничтожение всех сорняков с крупными стеблями, в которых любят селиться личинки огнёвки. Как на поле, так и по периметру.
   
   
   

3. Глубокая вспашка перед сезоном, чтобы оставшиеся стебли с зимующими личинками оказались глубоко под землей, и вредитель погиб. 

4. Подбор сортов кукурузы под жизненный цикл огнёвок. Зимующие личинки просыпаются, когда температура достигает +15 °C, и особенно активно размножаются в раннем урожае. Выбор сортов с рекордно ранним или, наоборот, поздним созреванием повышает шансы получить целый урожай. 

5. Использование инсектицидов — химических и биологических препаратов для уничтожения вредных насекомых, их яиц и личинок.

6. Использование ос-наездников трихограмм в период, когда кукурузная огнёвка активно откладывает яйца. И использование паразитических ос-наездников габробракон, которые откладывают яйца на гусениц огнёвок, парализуя их.
   
   

   

Бактерия — киллер насекомых

Bacillus thuringiensis (Bt) — почвенная бактерия, обитающая по всему свету. Столкнувшись с недостатком еды или ухудшением условий среды, бактерия формирует прочную спору —  «капсулу выживания», где она может переждать неблагоприятный период. В это время она образует токсичные для насекомых белки, в числе которых Cry-белки, эффективные против бабочек, мотыльков, жуков, мух и комаров.

Впервые бактерию Bt выявили в 1901 году японцы, которые искали причину гибели тутовых шелкопрядов. 

В 1938 году учёные создали первый инсектицид на основе бактерии Bt, а истинный успех пришёл уже в конце века с появлением Bt-сортов. С помощью генетического редактирования исследователи создали сорта кукурузы, хлопка и других культур, у которых токсичные для насекомых белки бактерии вырабатываются прямо в клетках растения.

Сегодня существует более 110 Bt-сортов кукурузы, более 40 Bt-сортов хлопка, более 20 Bt-сортов картофеля, а также Bt-сорта сои, риса, помидоров и черноглазого гороха (Vigna unguiculata).

К 2019 году в мире высадили уже 109 миллионов гектаров Bt-культур. На Bt-сорта приходится примерно 94% хлопка в Индии (2019 год), более 73% соевых бобов в Бразилии (2021-2022 годы) и 84% кукурузы в США (2022 год). 

Как работает белок-убийца?

В генно-модифицированных сортах кукурузы Cry-белки вырабатываются в каждой клетке растения. Когда гусеница или личинка кусает листья, стебли или зёрна, токсичный белок попадает в её пищеварительную систему. 

В кишечнике белок «активируется» и связывается со специфическими рецепторами клеток пищеварительной системы. Связывание провоцирует создание молекулы, которая встраивается в мембрану клетки и образует пору, через которую внутрь врываются соединения снаружи. 

Из-за образовавшихся дырок нарушается осмотический баланс, и клетка кишечника гусеницы или личинки погибает. А вскоре, когда гибнет много клеток, умирает и само насекомое.

Осмотический баланс — способность клетки поддерживать оптимальный уровень воды и концентрацию растворённых веществ, необходимых для нормальной жизнедеятельности

Почему Cry-белок безопасен для человека?

В отличие от насекомых-вредителей, кишечная среда у человека очень кислая, поэтому Cry-белки просто не активируются. Впрочем, даже если бы они расщеплялись до активной формы, им не с чем связываться: у наших клеток нет подходящих рецепторов.

У человека Cry-белки просто расщепляются на безвредные аминокислоты, как обычный пищевой белок. Также подходящих для активизации белка условий и рецепторов нет у млекопитающих, рыб и птиц. Более того, на большинство насекомых токсин тоже не действует, поэтому страдают только вредители.

Могут ли бактерии выработать иммунитет к Cry-белкам?

Учёные опасаются появления устойчивых к токсину насекомых-вредителей, поэтому внимательно следят за их распространением и реакцией на новые Bt-сорта. Например, в середине 2000-х годов с рынков Пуэрто-Рико убрали сорт Bt-кукурузы, к которому приспособились местные вредители, кукурузные лиственные совки. А в 2025 году учёные описали потенциальный механизм устойчивости к Cry-белкам у азиатских кукурузных огнёвок.

Впрочем, бактерии Bt производят большое разнообразие Cry-белков, которые по-разному уничтожают клетки гусениц и личинок. Поэтому при выведении новых сортов учёные внедряют в растения способность производить сразу несколько токсинов. Крайне маловероятно, что насекомые-вредители сумеют выработать устойчивость к нескольким комбинациям Cry-белков сразу. 

Создание генно-модифицированных Bt-сортов кукурузы и других культур — пример того, как применение природных механизмов помогает решать технологические проблемы. Открытие Cry-белков дало нам мощный инструмент для создания растений с устойчивостью к вредителям, но зато абсолютно безопасных для других животных, в том числе полезных насекомых, скота и людей.