Эффект повышения урожайности ГМ-культур в развивающихся странах

Yield effects of genetically modified crops in developing countries

Matin Qaim (Матин Каим) ^{1, 2 *} и David Zilberman (Дэвид Зилдерман)²

Полевые испытания bt (Bacillus thuringiensis) хлопка, проведённые в разных штатах Индии, показывают, что технология существенно снижает потери от вредителей и повышает урожайность. Урожайность оказалась гораздо выше, чем сообщалось для других стран, где генетически модифицированные сельскохозяйственные культуры использовались главным образом для замены и улучшения химической борьбы с вредителями. Во многих развивающихся странах, мелкие фермеры несут большие потери урожая, связанные с вредителями, из-за технических и экономических трудностей. Устойчивые к вредителям генетически модифицированные сельскохозяйственные культуры могут повысить урожайность и рост сельскохозяйственного производства в тех условиях, какие наблюдается на примере bt-хлопчатника в Индии.

Вопрос об использовании современной сельскохозяйственной биотехнологии в развивающихся странах имел неоднозначную реакцию в недавнем прошлом ^[1,2]. Могут ли генетически модифицированные сельскохозяйственные культуры, в частности разработанные в промышленных странах, решить насущные проблемы сельского хозяйства развивающихся стран? В настоящее время, 99% общей площади выращиваемых ГМ-культур приходится на сорта устойчивые к гербицидам и вредителям ^[3]. Недавние исследования показывают, что эти технологии в целом заменяют пестициды, но дают лишь небольшое повышение урожайности. Преимущества урожайности bt-хлопка в США и Китае, например, составляют около 10% в среднем ^[4-6]. Для устойчивой к инсектицидам кукурузы в США и гербицидо-устойчивой сои в США и Аргентине, средний эффект повышения урожайности оказался незначительным, а в некоторых случаях - даже немного отрицательным ^[7-9]. Экономические и экологические выгоды от снижения использования пестицидов и уменьшения затрат на борьбу с вредителями были широко освещены в исследованиях ^[4-6,9], однако некоторые учёные утверждают, что потенциал ГМ-культур ограничен без существенного эффекта повышения урожайности, особенно в регионах с высокими темпами роста населения ^[10].

Мы считаем, что ограниченного опыта работы с ГМ-культурами до сих пор недостаточно, чтобы делать широкие обобщения об их последствиях. Мы используем пример bt-хлопка в Индии, показывающий, что существующие в настоящее время ГМ-культуры могут дать существенный эффект повышения урожайности, который, скорее всего, произойдет в развивающихся странах, особенно в тропиках и субтропиках.

Bt-хлопок содержит ген Cry1Ac, обеспечивающий достаточно высокую степень устойчивости к американскому (Helicoverpa armigera), пятнистому (Earias vittella) и розовому (Pectinophora gossypiella) коробочным червям, являющимся основными насекомыми-вредителями в Индии. Технология была разработана американской компанией "Monsanto" и использована в нескольких индийских гибридах, созданных совместно с "Maharashtra Hybrid Seed Company" (Mahyco). В 1997 году были проведены первые полевые испытания bt-гибридов в Индии. В последующие годы проводились масштабные полевые испытания для сбора агрономических данных и информации о био- и пищевой безопасности. В 2002 году технология bt-хлопка была коммерчески утверждена, и фермеры начали выращивать новые гибриды ^[11].

В 2001 году полевые испытания были проведены на 395 фермах в семи штатах Индии. Эти исследования были начаты Mahyco и контролировались регулирующими органами. Хотя места посещались агрономами в регулярные интервалы для оценки количества вредителей и сбора данных, испытаниями руководили сами фермеры, использующие обычную практику. На трёх аналогичных участках по 646 м² были посажены: гибридный bt-хлопок; аналогичный гибрид, но без гена Bt (не-Bt копия); различные гибриды (популярные сорта - контрольная группа). Это позволяет уменьшить эффект различий агроэкологических условий и способностей фермеров при сравнении.

В дополнение к регулярным отчётам исследования, более полная информация была собрана на основе агрономических аспектов, сельскохозяйственных и бытовых характеристик 157 фермерских хозяйств. Наблюдения за этими 157 фермами дают основу данных для анализа ^[12]. Они охватывают 25 районов в трёх основных штатах, производящих холопок: Махараштра и Мадхья-Прадеш в центральной Индии, и Тамил-Наду на юге страны. Уровень входных и выходных данных с участков, был экстраполирован на 1 га для облегчения сравнения.

В среднем, bt-гибриды опрыскивали против коробочных червей в три раза реже, чем не-bt копии и контрольную группу (см. табл. 1). Определённые методы (опрыскивание инсектицидами - моё примечание) по контролю над коробчатым червём всё же проводятся, и связаны с тем, что белок, кодируемый геном Cry1Ac, не вызывает 100% смертности у H. armigera, а содержание токсинов в растениях снижается при старении ^{[13, 14]}. Нет никаких существенных отличий в количестве обработок против таких сосущих вредителей, как тля (Aphis gossypii), цикадка (Amrasca bigutulla) и белокрылка (Bemisia tabaci). Bt не обеспечивает устойчивость к этим видам насекомых. Количество используемых инсектицидов на Bt-участках были снижены почти на 70%, как с точки зрения коммерческих продуктов, так и активных ингредиентов. Большинство из этих сокращений произошло для особо опасных химических веществ, таких, как фосфаты, карбаматы и синтетические пиретроиды, принадлежащие к I и II международным классам токсичности. С финансовой точки зрения, это экономия пестицидов на сумму около 30$ на гектар.

Таблица 1. Сравнение кол-ва используемых инсектицидов и урожайности на участках bt- и обычного хлопка. Средние значения показаны со стандартными отклонения в скобках, n - число наблюдаемых участков. Урожайность считалась по семенам хлопка до очистки. Данные получены на основе 2001 испытания.

	Bt (n = 157)	Не-bt (n = 157)	Контроль (n = 157)
Кол-во опрыск. против коробочного червя	0.62* (1.28)	3.68 (1.98)	3.63 (1.98)
Кол-во опрыск. против сосущих вредителей	3.57 (1.70)	3.51 (1.66)	3.45 (1.62)
Количество инсектицидов (кг/га),	3.57 (1.86)	5.56 (3.15)	5.43 (3.07)
...находящихся в: I классе токсичности	0.64* (1.10)	1.98 (1.78)	1.94 (1.78)
II классе токсичности	1.07* (1.27)	3.55 (2.66)	3.46 (2.60)
III классе токсичности	0.03 (0.08)	0.03 (0.08)	0.03 (0.08)
Количество активных веществ (кг/га)	0.48* (0.55)	1.55 (0.96)	1.52 (0.95)
Урожайность (кг/га)	1501* (857)	833 (572)	802 (571)

 * Средние значения отличаются от таковых для не-bt копии и контроля на 5% уровней значимости.

Однако более значительные выгоды связаны с преимуществами в урожайности. Средняя урожайность bt-гибридов превышает не-bt копии и контрольную группу на 80 и 87% соответственно ^[15]. Функции плотности на рис. 1 показывают, что всё распределение урожайности заметно сдвинуто вправо. Сходство кривых не-bt и контрольной группы показывает, что общий эффект зародышевой плазмы незначителен. Повышение урожайности непосредственно связано с геном Bt. Распространённость коробочного червя в Индии была особенно высокой в 2001 году. Тем не менее, предыдущие испытания, проведённые в меньшем числе мест, но с тем же дизайном эксперимента, показали значительные преимущества в урожайности и в предыдущих сезонах тоже. За 4-летний период с 1998 по 2001 год, bt-гибриды показали в среднем преимущество в 60% ^[16].

Анализ факторов, влияющих на урожайность новых, эффективных технологий борьбы с вредителями, позволяет предположить, что они зависят от вреда и локального уровня натиска вредителей, а также наличия альтернативных способов борьбы с вредителями, и их принятия фермерами ^[17,18]. В условиях Индии коробочный червь оказывает большой вред, что не контролируются в условиях выращивания обычного хлопка (рис. 2). В среднем ущерб, приносимый вредителями, составил приблизительно 60% на обычных (то есть не-bt) опытных участках в 2001 году. Этот результат согласуется с более ранними исследованиями энтомологов в Индии, которые обнаружили, что средние потери, связанные с вредителями, составляют 50-60% урожая ^[19]. В США и Китае оценочные потери обычного хлопка из-за насекомых-вредителей составляют лишь 12 и 15% соответственно. Это и объясняет, почему bt-технологии менее эффективны в этих странах.

Широкое использование пестицидов, несмотря на низкий уровень количества вредителей в США и Китае, и благоприятные почвенно-климатические условия, дают высокий процент урожайности. Кроме того, пестициды в Китае субсидируются, поэтому они легко доступны ^[21]. Индийские фермеры, напротив, часто из-за задолженностей и кредитных ограничений не имеют доступа к химическим веществам в нужный момент времени ^[22,23]. Коробочный червь уже приобрёл устойчивость ко многих инсектицидам, доступным на рынке. Фермеры должны были бы утроить текущее количество используемых пестицидов для обычного хлопка, чтобы достичь уровня урожайности bt-технологии (рис. 2).

Рис. 1. Функция плотности урожайности для  bt- и обычных гибридов хлопчатника. Функции были оценены непараметрически, используя ядро Епанечникова, с 157 наблюдениями в каждой. Данные получены на основе 2001 испытания.

Рис. 2. Связь между использованием инсектицидов и потерей урожая с учетом bt-технологии и без. Кривые - прогнозы, основанные на эконометрической оценке логистической damage-control функции. Данные получены на основе 2001 испытания.










Хотя полевыми испытаниями управляли фермеры, вполне может быть, что средняя прибыль технологии в коммерческом сельском хозяйстве будет несколько ниже. Тем не менее, учитывая масштабы, эффект повышения урожайности bt-хлопчатника в Индии должен оставаться значительными. Пока только три bt-гибрида были одобрены регулирующими органами. Важно, чтобы появились и другие гибриды bt-хлопка, хорошо приспособленные к разнообразным агроэкологическим условиям, так, чтобы технологическая прибыль для фермеров не была обуздана общим недостатком идиоплазмы.

Многие развивающиеся страны в настоящее время находятся в процессе оценки затрат и преимуществ импорта ГМ-технологий из-за рубежа для адаптации и использования в своих внутренних аграрных секторах. Таким образом, некоторые прогнозы на основе результатов, полученных в Индии, могут быть весьма поучительными. Уровень количества вредителей и связанный с ними ущерб урожая значительно варьируются от региона к региону и даже по отдельным местах. Однако, в целом, уровень вредителей в развитых странах и других умеренных зонах низок, в то время как в тропических и субтропических регионах - высок. Особенно в некоммерческих и полукоммерческих секторах, где технические и экономические ограничения препятствуют более широкому использованию химических веществ, связанные с вредителями потери урожая часто достигают 50% и выше ^[20].

Включая литературу по защите сельскохозяйственных культур ^{[17, 18]}, таблица 2 содержит оценки фактических и ожидаемых эффектов повышения урожайности ГМ-культур в различных регионах. Из-за внутрирегиональных изменений в базовых детерминантах, заявления должны рассматриваться как приблизительные тенденции. Почти все ГМ-технологии были инициированы коммерческими фирмами в промышленно развитых странах, ориентированных на потребности фермеров, способных за них заплатить. Некоторые сорта были переданы в коммерческие сектора Латинской Америки и Китая, где агроэкологические условия и цены на пестициды схожи. Во всех случаях, показатель урожайности был от низкого до среднего, хотя были значительные доходы от снижения использования пестицидов. Но с тщательной адаптацией и эффективным регулированием, эти же технологии могут быть также введены в других развивающихся регионах, где эффект повышения урожайности будет более выраженным. Устойчивые к вредителям ГМ-культуры легко управляются на уровне фермерских хозяйств, и могут существенно снизить разницу между достижимой и фактической урожайностью, особенно в системах мелких сельского хозяйства.

Таблица 2. Ожидаемые эффекты повышения урожайности устойчивых к вредителям ГМ-культур в различных регионах. Оценки уровня вредителей и используемых химических альтернатив относятся к среднему региональному значению ^[20] и пренебрегают существующими внутрирегиональными изменениями.

Регион	Вредители	Наличие хим. альтернатив	Использование хим. альт-тив	Урожайность ГМ-культур
Развивающиеся страны	От низкого до среднего	Высокое	Высокое	Низкая
Латинская Америка (коммерческая)	Среднее	Среднее	Высокое	От низкой до средней
Китай	Среднее	Среднее	Высокое	От низкой до средней
Латинская Америка (некоммерческая)	Среднее	От низкого до среднего	Низкое	От средней до высокой
Южная и Юго-Восточная Азия	Высокое	От низкого до среднего	От низкого до среднего	Высокая
Африка	Высокое	Низкое	Низкое	Высокая

На основе уровня вредителей и текущих средств защиты растений, самая большая прибыль урожайности ожидается в странах Южной и Юго-Восточной Азии, а также в Африке южнее Сахары. Результаты полевых испытания Индии и предварительные данные Индонезии и Южной Африки соответствуют этому предположению ^{[24, 25]}. Южная и Юго-Восточная Азия и Африки южнее Сахары являются регионами с самым высоким ростом численности населения, поэтому увеличение объемов сельскохозяйственного производства на единицу площади имеют жизненно важное значение для сокращения бедности и продовольственной безопасности. Bt-хлопок, bt-кукуруза и bt-картофель, которые уже есть на рынке некоторых стран, имеют непосредственное отношение к развивающимся странам. Bt-рис и сладкий картофель, а также ряд продовольственных культур с другими механизмами сопротивления вредителям, будут способствовать дальнейшему расширению технологии в ближайшем будущем ^{[26, 27]}. Сельскохозяйственная биотехнология предлагает множество технологий борьбы с вредителями для развивающихся стран, но мы показали, что ГМ-культуры, разработанные сейчас, уже могут дать нужный результат.

Оговорки, связанные с фактическим и ожидаемым вредом для окружающей среды и здоровья, смешавшись с озабоченностью по поводу прав интеллектуальной собственности (ПИС) и корпоративного доминирования, привели к малой симпатии по отношению ГМ-культурам среди общественности и политиков ^[28]. Хотя появляется всё больше и больше свидетельств о их пользе, технология всё же является широко признанной. Ответственное управление рисками и научное обсуждение являются необходимыми условиями для преодоления проблемы признания и обеспечения устойчивого использования ГМ-культур. Кроме того, государственные сектора исследований инвестиций должны быть расширены, а механизмы для передачи технологии и обработки ПИС создан так, что перспективные биотехнологии были доступны бедным по низким ценам и в более широких масштабах.

Источники и сноски:

1. P.Pinstrup-Andersen, E.Schiøler. Seeds of contention: World hunger and the global controversy over GM crops (Johns Hopkins Univ.Press, Baltimore, 2001).
2. M.A.Altieri. Genetic engineering in agriculture: The myths, environmental risks and alternatives (Special report No.1, Food First, Oakland, CA, 2001).
3. C.James. Global review of commercialized transgenic crops: 2001 (Feature: Bt cotton), ISAAA Briefs No.26 [International service for the acquisition of agri-biotech applications (ISAAA), Ithaca, NY, 2002], p.12.
4. J.Carpenter et al. Comparative environmental impacts of biotechnology-derived and traditional soybean, corn, and cotton crops (Council for agricultural science and technology, Ames, IA, 2002).
5. J.Huang, S.Rozelle, C.Pray, Q.Wang, Science 295, 674 (2002).
6. C.E.Pray, J.Huang, R.Hu, S.Rozelle, Plant J. 31, 426 (2002).
7. J.Lauer, J.Wedberg, J. Prod. Agric. 12, 373 (1999).
8. UK Soil Association, Seeds of doubt: North American farmers’ experience of GM crops (UK Soil Association, Bristol, UK, 2002), pp.11–14.
9. M.Qaim, G.Traxler, paper presented at the 6th International Conference of the International Consortium of Agricultural Biotechnology Research, Ravello, Italy, 11 to 14 July 2002.
10. V.W.Ruttan, AgBioForum 2, 54 (1999).
11. K.S.Jayaraman, Nature Biotechnol. 20, 415 (2002).
12. Сравнительный анализ воздействия на окружающую среды биотехнологических и традиционных сои, кукурузы и хлопчатника.
13. F.Gould, Annu. Rev. Entomol. 43, 718 (1998).
14. J.T.Greenplate, J. Econ. Entomol. 92, 1379 (1999).
15. Independent trials that were carried out in 2001 with Bt cotton in different public experiment stations even showed yield gains near 100%, in spite of adequate chemical plant protection measures (29).
16. Maharashtra Hybrid Seed Company, неопубликованные данные.
17. Committee on the Future Role of Pesticides in U.S. Agriculture, Board on Agriculture and Natural Resources, Board on Environmental Studies and Toxicology, National Research Council, The Future Role of Pesticides in US Agriculture (National Academy Press, Washington, DC, 2000).
18. D.Zilberman, A.Schmitz, G.Casterline, E.Lichtenberg, J.B.Siebert, Science 253, 518 (1991).
19. S.N.Puri, K.S.Murthy, O.P.Sharma, in Handbook of Cotton in India [Indian Society for Cotton Improvement (ISCI), Mumbai, India, 1999], pp.233–245.
20. E.-C.Oerke, H.-W.Dehne, F.Schönbeck, A.Weber. Crop production and crop protection: Estimated losses in major food and cash crops (Elsevier, Amsterdam, 1994).
21. D.Widawsky, S.Rozelle, S.Jin, J.Huang, Agric. Econ. 19, 205 (1998).
22. G.A.A.Wossink, G.C.van Kooten, G.H.Peters, Eds., Economics of Agro-Chemicals: An International Overview of Use Patterns, Technical and Institutional Determinants, Policies and Perspectives (Ashgate, Aldershot, UK, 1998).
23. ISCI, Handbook of Cotton in India (ISCI, Mumbai, India, 1999).
24. Y.Ismae¨l, R.Bennett, S.Morse, AgBioForum 5, 4 (2002).
25. ISAAA, Bt Cotton in Indonesia (ISAAA, Manila, Philippines, 2002).
26. A.S.Moffat, Science 285, 370 (1999).
27. M.Qaim, A.F.Krattiger, J.von Braun, Eds. Agricultural Biotechnology in Developing Countries: Towards Optimizing the Benefits for the Poor (Kluwer, Boston, MA, 2000).
28. R.L.Paarlberg, The Politics of Precaution: Genetically Modified Crops in Developing Countries (Johns Hopkins Univ.Press, Baltimore, 2001).
29. Indian Council for Agricultural Research (ICAR), All India Coordinated Cotton Improvement Project; Annual Report 2001-02 (ICAR, Coimbatore, India, 2002), p.97.
30. The authors thank researchers of Mahyco for making the field-trial records available.The financial support of the German Research Council (Deutsche Forschungsgemeinschaft) is gratefully. D.Z. is a member of the Giannini Foundation of Agricultural Economics.