GM-teknologian käyttö maataloudessa ja elintarvikkeissa
Rypsiöljy (kanadalainen öljy, vähähappoinen) kehitettiin 1970-luvun alkupuolella Manitobassa tavanomaisen kasvinjalostuksen avulla rapsista, jotta se erottuisi luonnollisesta rypsiöljystä, jonka erukahappopitoisuus on paljon suurempi. Vuoteen 1998 mennessä geenitekniikan avulla kehitettiin tauteja ja kuivuutta paremmin kestävä lajike. Nykyään rypsiä tuotetaan laajalti Kanadassa, Yhdysvalloissa ja muissa maissa, ja Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkevirasto (USFDA) on yleisesti tunnustanut sen turvalliseksi, ja vuonna 2013 se sallittiin äidinmaidonkorvikkeissa, joissa rypsiöljyä on enintään 31 prosenttia rasvasekoituksesta.
Muut laajalti kulutetut muuntogeeniset tuotteet ovat muuntogeenisistä viljelykasveista peräisin oleva maissi ja soijapapu. Rikkakasvien torjunta-aine glyfosaatti estää 5-enolpyruvyylishikimaatti-3-fosfaattisyntaasin entsyymiä, jota esiintyy kasveissa, sienissä ja bakteereissa mutta ei eläimissä. Tämä entsyymi on keskeinen vaihe hormonien muodostumisessa aromaattisten aminohappojen tuotannon kautta. Laajakirjoisen rikkakasvien torjunta-aineen käyttö yleistyi huomattavasti Roundup® ready (GM) -soijapapujen ja -maissin kehittämisen myötä, jotka sisälsivät glyfosaatti-N-asetyylitransferaasigeenin. Herbisidin käyttö ei vaikuta näihin muuntogeenisiin viljelykasveihin, mutta tietyt rikkakasvit kuolevat. Nykyään erilaisilla kaupallisilla glyfosaattivalmisteilla voidaan torjua yli 100 leveälehtistä ja heinämäistä rikkakasvilajiketta. Toksikologiset tutkimukset osoittivat, että vaikka muuntogeenisten viljelykasvien syötävissä osissa muodostuu uusia aineenvaihduntatuotteita, joita ei havaittu tavanomaisissa viljelykasveissa, FAO:n ja WHO:n yhteinen torjunta-ainejäämiä käsittelevä kokous päätteli, että näiden hyödykkeiden tai niistä saatavien tuotteiden lyhyt- tai pitkäaikainen käyttö ei aiheuta huolta ihmisten terveydelle. Hyväksyttyjen muuntogeenisten viljelykasvien määrän odotetaan kasvavan maailmanlaajuisesti 30:stä vuonna 2009 110:een vuoteen 2015 mennessä. Jopa Euroopassa, jossa väestön huoli muuntogeenisiä elintarvikkeita kohtaan on suurin, tuodaan vuosittain noin 30 miljoonaa tonnia muuntogeenisiä viljelykasveja, ja monia rikkakasvien torjunta-aineille vastustuskykyisiä maissilajikkeita saa nyt viljellä Euroopan unionissa (EU). Maaperän mikro-organismit hajottavat glyfosaattia kuitenkin vain hitaasti, ja se voi aiheuttaa veden saastumisriskin. Lisäksi joidenkin rikkakasvilajien resistenssi rikkakasvien torjunta-aineelle on kasvava huolenaihe.
Toinen menestyksekäs muuntogeenisen teknologian sovellus on Bacillus thuringiensis (Bt) -bakteerin tuottaman biologisen torjunta-aineen geenin lisääminen. Bacillus thuringiensis (Bt) on läheinen sukulainen hyvin yleiselle maaperässä ja pölyssä esiintyvälle bakteerille Bacillus cereus. Vuonna 1901 Bt havaittiin ensimmäisen kerran sairaiden tai kuolevien silkkiäistoukkien pesäkkeessä Japanissa. Tärkein ero Bt:n ja B. cereuksen välillä on se, että Bt tuottaa endotoksiinia, joka tappaa perhosia. Tämä tapahtuu proteiinitoksiinin avulla, joka esiintyy bakteerissa sporulaation aikana loiskappaleena (”kiteenä”). Hyönteisten suolistoproteaasit aktivoivat toksiiniproteiinit, jolloin ne voivat sitoutua reseptoreihin ja vaikuttaa keskisuolen soluihin muodostamalla huokosia toukkien ruoansulatuskanavaan (hemocoel). Nämä huokoset sallivat luonnossa esiintyvien suolistobakteerien pääsyn hemocoeliin, jossa ne lisääntyvät ja aiheuttavat verenmyrkytyksen Bt-toksiini Bt-viljelmän ruiskukuivattuna, kostutettavana jauheena tuli kaupallisesti saataville 1950-luvulla, ja sitä käytettiin laajalti Kanadassa ruiskutettaessa laajoja alueita metsissä, joissa esiintyi kuusenkorennontuholaisia ja mustalaiskoita. Metsätaloudessa Bt-kannat olivat kuitenkin 1980-luvun puoliväliin mennessä käytännössä korvanneet tärkeimmät kemialliset torjunta-aineet kuusituholaisen ja mustekonnan torjunnassa Ontariossa, Quebecissä ja Atlantin maakunnissa. Sittemmin on tehty erilaisia muutoksia tiettyjen hyönteisten, lähinnä tuhoisien toukkien, torjumiseksi. Sen käyttö elintarvike- ja rehukasvien viljelyssä on kuitenkin ollut rajoitetumpaa, ja se on kohdistettu pääasiassa kaalimatoihin, tomaatin torvimatoihin, maissintuhoojiin, sinimailas-toukkaan ja sinimailas-verkkomatoihin. Bt:tä voidaan levittää maanpäällisen kastelujärjestelmän kautta tai rakeina. Käytettävissä olevat tiedot viittaavat siihen, että itiöt voivat säilyä maaperässä kuukausista vuosiin pelto-olosuhteissa, mutta toksiinin pitkäikäisyydestä maaperässä tai vedessä tiedetään vain vähän.
Kaksi tämän suvun isolaattia ovat erittäin aktiivisia taloudellisesti merkittäviä hyönteisiä vastaan; Bt subsp. kurstaki hyökkää lepidopterahyönteisiä vastaan ja Bt subsp. israelensis tappaa hyttysiä ja mustia kärpäsiä. Bt kurstaki -kanta on se, jota käytetään useimmiten ruiskutteena vihannesten toukkien torjuntaan. Bt-hyönteismyrkyt ovat ainoat laajalti käytössä olevat bakteeriperäiset hyönteismyrkyt, ja niiden etuna on se, että ne eivät kohdistu pölyttäjiin, kuten mehiläisiin, eivätkä haitallisten tuholaisten saalistajiin tai loisiin. Euroopan elintarviketurvallisuusviranomainen suoritti vuonna 2012 riskinarvioinnin Bt kurstaki -kannasta ja totesi, että terveysriski nisäkkäille, matelijoille, sammakkoeläimille, linnuille, leville ja muille niveljalkaisiin kuuluville niveljalkaisille kuin lepidoptereille sekä todennäköisesti maaperän mikro-organismeille on vähäinen. Muuntogeenisten organismien näkökulmasta Bt-maissi on maissin muunnos, jota on muutettu geneettisesti lisäämällä maissin perimään Bt-toksiinin geeni, jonka tarkoituksena on tappaa maissintuhooja ja viime aikoina myös maissin tähkä- ja juurikääpä. Toisin kuin Bt, maissin kaltaiset siirtogeeniset kasvit eivät vapauta Bt-toksiinia. Sen sijaan hyönteisen on pilkottava solu, jotta aktiivinen ainesosa vapautuu suolistossa. Tämä on parannus ruiskutettuun Bt:hen verrattuna, koska se ei ole altis auringonvalon aiheuttamalle hajoamiselle eikä sade huuhtele sitä pois. Useimmat ruiskutetut valmisteet ovat tehottomampia ajan mittaan, ehkä muutaman päivän tai viikon kuluttua levittämisestä, toisin kuin muuntogeeninen versio, joka on tehokas koko kasvin eliniän ajan. Yksi riski on kuitenkin se, että hyönteisten jatkuva altistuminen muuntogeenisestä Bt:stä johdetulle Bt:lle voi antaa vastustuskyvyn hyönteisten saalistusta vastaan.
Vaikka hyönteiset kykenevät kehittämään korkean vastustuskyvyn laboratoriokokeissa, tätä ei ole havaittu suuressa määrin silloin, kun viljelykasveja on ruiskutettu. Nyt ollaan yleisesti yhtä mieltä siitä, että ”suuri annos/pakolaisstrategia” on lupaavin ja käytännöllisin tapa pidentää Bt-toksiinien tehoa. Tämä edellyttää toksiinittomia isäntäkasveja, jotka toimivat suojapaikkoina hyönteismyrkkyä aiheuttavien viljelykasvien läheisyydessä, ja toksiiniannoksia, joiden on tarkoitus olla riittävän suuria hyönteisten tappamiseksi. Yli kymmenen vuoden kuluttua Bt-kasvien ensimmäisestä kaupallistamisesta useimmat kohdetuholaispopulaatiot ovat edelleen alttiita, mutta kentällä kehittynyttä resistenssiä on havaittu joissakin Bt-maissia syövissä kolmen nokkosperhoslajin populaatioissa Puerto Ricossa ja Etelä-Afrikassa sekä Bt-puuvillassa Yhdysvaltojen kaakkoisosassa. Kenttätulokset ovat yhdenmukaisia teorian ennusteiden kanssa, joiden mukaan resistenssiä viivästyttäviä tekijöitä ovat muun muassa resistenssin resessiivinen periytyminen, muiden kuin Bt-isäntäkasvien runsas määrä ja Bt-kaksimyrkkykasvit, joita viljellään erillään yhden myrkyn Bt-kasveista. Bt-kasvien käyttö on suosittua kaikkialla maailmassa, ja niitä viljellään yli 32 miljoonalla hehtaarilla, mukaan lukien Bt-puuvilla ja Bt-perunat. Jopa joissakin maissa, kuten EU:ssa, joissa ollaan huolissaan muuntogeenisistä elintarvikkeista yleensä, sallitaan Bt-siirtogeenisten viljelykasvien käyttö, ja on todennäköistä, että niiden käyttö laajenee tulevaisuudessa. Muita Yhdysvalloissa ja joissakin muissa maissa sallittuja muuntogeenisiä organismeja ovat muun muassa bromoksiniilille vastustuskykyinen puuvilla, viivästyneesti kypsyvät tomaatit, kurpitsat, kesäkurpitsat ja papaijat, jotka on muunnettu vastustuskykyisiksi viruksia vastaan (80 prosenttia havaijilaisista papaijoista on muuntogeenisiä, koska rengaslaikkuviruksen torjuntaan ei ole edelleenkään olemassa mitään tavanomaista tai luonnonmukaista menetelmää). Glyfosaatin kestävät sokerijuurikkaat on hyväksytty Australiassa, Kanadassa, Kolumbiassa, EU:ssa, Japanissa, Koreassa, Meksikossa, Uudessa-Seelannissa, Filippiineillä, Kolumbiassa, EU:ssa, Japanissa, Meksikossa, Uudessa-Seelannissa, Filippiineillä, Venäjän federaatiossa, Singaporessa ja USA:ssa.
Teknologian potentiaalia voidaan käyttää myös ravitsemuksen parantamiseen, kuten vitamiinien tuotantoon; tästä hyvänä esimerkkinä on ”kultainen riisi” (golden rice), joka on muuntogeeninen riisinlaji (Oryza sativa rice) muunnettu lajike, joka tuottaa riisin syötävissä osioissa beetakaroteenia eli A- vitamiinin esiasteaineita. Kultainen riisi luotiin muuntamalla riisiä kahdella beetakaroteenin biosynteesigeenillä: Fytoeenisyntaasi narsissista ja crtI Erwinia-lajista, ja se on itse asiassa väriltään kultainen, joka eroaa täysin muusta kuin muuntogeenisestä riisistä. Tutkimuksen tarkoituksena oli viljellä tätä lajiketta alueilla, kuten Afrikassa ja Intiassa, joilla tuhannet lapset kuolevat vuosittain A-vitamiinin puutteeseen. Vuonna 2005 kehitettiin uudempi lajike, joka tuottaa paljon enemmän beetakaroteenia, mutta valitettavasti sen enempää alkuperäistä kuin uudempaa versiota ei vielä viljellä ihmisravinnoksi. Monet pitävät muuntogeenisiä viljelykasveja A-vitamiinin lisäämiseksi edullisempana ja käytännöllisempänä vaihtoehtona vitamiinilisille tai ruokavalion muuttamiselle kasvisten ja eläinperäisten tuotteiden kulutuksen lisäämiseksi.
Tavanomaiset muuntogeenisistä viljelykasveista esitetyt huolenaiheet on tuotu esiin myös kultaisen riisin osalta: muuntogeenisten geenien leviäminen ympäristöön; paikallisten lajikkeiden ja biologisen monimuotoisuuden häviäminen; oven avaaminen kiistanalaisille muuntogeenisille organismeille; monikansallisten yritysten törkeät voitot, jotka saadaan niiltä, joilla on kaikkein vähiten varaa siementen kustannuksiin; A-vitamiinin saaminen muista elintarvikkeista on mahdollista. Muut vastustajat ovat väittäneet, että aikuisten ja lasten pitäisi syödä kohtuuttomia määriä kultaista riisiä nähdäkseen siitä mitään hyötyä. Viimeaikaiset kokeet kuitenkin osoittivat, että kultainen riisi tuottaa ravinnosta saatavaa A-vitamiinia yhtä hyvin kuin lisäravinteet ja paremmin kuin pinaatin luonnollinen beetakaroteeni. Laajamittaisen käytön mahdollistamiseksi muuntogeeniset yritykset ovat nyt sopineet, että maanviljelijät voivat hankkia siemeniä ja istuttaa niitä ilmaiseksi, elleivät he tienaa sadosta yli 10 000 Yhdysvaltain dollaria vuodessa. Kenttäkokeita on tehty, ja on toivottavaa, että kultainen riisi täyttää tuotantoa koskevat lainsäädännölliset ehdot ja tulee markkinoille vuonna 2015.
Toinen GM-teknologian hyödyllinen sovellus on rokotteiden tuotanto ja jakelu GM-kasvien avulla. Banaanin taimiin ruiskutettu valikoitu DNA hepatiitti B- ja koleraviruksista saattaisi antaa kasville mahdollisuuden tuottaa antigeenisiä proteiineja ilman tartuntakomponenttia. Näiden banaanien (ja joidenkin muiden muunneltujen vihannesten, kuten perunoiden ja porkkanoiden) nauttiminen synnyttäisi kuluttajassa vasta-aineita näiden tautien torjumiseksi samalla tavalla kuin perinteisen rokotteen pistäminen tai nauttiminen. Tämä voi olla tehokkaampi ja edullisempi tapa rokottaa suuria väestöryhmiä tiettyjä tauteja vastaan.
Kasvien muuntogeenisten kasvien tutkimus kiihtyy tulevaisuudessa, ja jotkin tuloksista voivat osoittautua sekä taloudellisesti että ympäristön kannalta hyväksyttäviksi hallituksille ja kansalaisille. Joitakin kasveja ja puita voitaisiin muokata siten, että ne sitoisivat suuria määriä hiiltä, joka sidottaisiin juuriin ja varsiin. Monivuotisilla ruohokasveilla, kuten switchgrassilla ja Miscanthuksella, saattaa olla parhaat välittömät mahdollisuudet niiden laajojen juurijärjestelmien vuoksi. Muita esimerkkejä ovat muuntogeeniset puut, jotka kasvavat nopeammin, tuottavat parempaa puuta esimerkiksi rakentamiseen ja biopolttoaineeksi, kestävät tuholaisten hyökkäyksiä ja äärimmäisiä ilmasto-olosuhteita ja jopa havaitsevat biologiset hyökkäykset kehittämällä puita, jotka muuttavat väriään altistuessaan biologiselle tai kemialliselle saastumiselle. Ympäristönäkökohdat estävät kuitenkin niiden laajamittaisen käyttöönoton, varsinkin kun puista vapautuva siitepöly on hallitsematonta laajoilla alueilla.