12.3 Генная инженерия как метод экологической селекции

Генетическая инженерия изучает проблемы направленного конструирования живых существ с заданными наследственными признаками свойствами. Одной из главных задач генетической инженерии растений является создание трансгенных растений, представляющих ценность для селекционной работы, растений - источников биомассы и источников важнейших фармацевтических веществ и ферментов, растений, способных очищать почву от техногенных загрязнений, и многих других типов трансгенных растений, представляющих практическое зна­чение.

Первые трансгенные коммерческие сорта картофеля, кукурузы, сои были созданы в начале 90-х годов фирмой Монсанто.

Площади под трансгенными культурами наиболее быстро увеличиваются в таких странах, как США, Канада, Китай.

Создание новых сортов в рамках традиционной селекции осуществляется путем генетической рекомбинации в процессе полового скрещивания и последующей длительной стабилизации генома. При этом желательные комбинации генов возникают с очень низкой частотой, от нежелательных генов освободиться очень трудно, особенно при отдален­ной гибридизации. Биотехнология создания сортов с использованием методов генетической инженерии в этом отношении имеет ряд преимуществ. Прежде всего при генетической трансформации целевой ген из одного источника может быть перенесен практически в любое растение, что открывает неограниченные возможности по созданию новых форм растений.

Одной из основных задач при селекции сортов растений является по­вышение качества выращиваемой продукции: белков, жиров, полисахаридов и других веществ, определяющих питательную и техническую ценность. Семена бобовых и злаковых культур обеспечивают до 70% белков, используемых человеком для питания. Количество белков различно в зависимости от генотипа, значительно различается также их аминокислотный состав. Однако ни один из используемых в пищу белков этих семян не имеет сбалансированного набора аминокислот. В них не хватает так называемых незаменимых для человека аминокислот. В белках злаковых содержится мало лизина и триптофана, а в белках бобовых-метионина и цистеина. Улучшить аминокислотный состав белков стандартными методами селекции не удается, поскольку гены, связанные с этими признаками, как правило, сцеплены и наследуются вместе с нежелательными признаками. В то же время методами генетической инженерии возможно повышение содержания незаменимых аминокислот в белках.

Наряду с улучшением аминокислотного состава белков проводится работа по созданию трансгенных растений с измененным содержанием углеводов. Например, созданы трансгенные растения картофеля, в клубнях которого наблюдается повышенное содержание крахмала.

12.4 Биотехнология как метод решения экологических проблем в сельском хозяйстве

Сельскохозяйственная биотехнология призвана обслуживать отрасли сельского хозяйства. Она разрабатывает методы и методологии создания и использования генетически модифицированных биологических объектов для интенсификации сельскохозяйственного производства, получения новых видов продуктов различного назначения, охраны окружающей среды и др.

В ее задачу входит создание принципиально новых и улучшенных ге­нотипов растений и животных, обладающих устойчивостью к опасным патогенам и вредителям, к абиотическим стрессам, неблагоприятным факторам среды, способных продуцировать новые продукты и препараты для сельского хозяйства, промышленности и медицины.

Сельское хозяйство – довольно широкая отрасль. Ее можно подразделить на две основных подотрасли – растениеводство и животноводство. Биотехнология имеет достижения, помогающие обеим этим отраслям.

Биотехнологические методы широко используется в семеноводстве. В настоящее время для ряда культур разработаны технологии клонального микроразмножения, т.е. вегетативного размно­жения растений на основе культуры in vitro. Такие технологии особенно актуальны для культур, размножаемых в производстве преимущественно вегетативно (картофель, плодовые, ягодные, декоративные, лесные растения). При длительном вегетативном размножении традиционными способами (черенками, луковицами, усами и т.д.) дочерние растения накапливают вирусную, бактериальную и грибную инфекцию, что снижает качество посадочного материала.

В современном сельскохозяйственном производстве практически не­возможно обойтись без гербицидов. И хотя гербициды нового поколения высокоэффективны в низких концентрациях и быстро разрушаются в почве, они не являются селективными и ингибируют рост, как сорняков, так и культурных растений. Большинство гербицидов действуют на растения путем инактивации жизненно важных ферментов, связанных с фотосинтезом или другими биосинтетическими путями. Исходя из механизмов действия гербицидов на растения разработано три основных генно-инженерных подхода к созданию гербицидоустойчивых растений:

- модификация растительного фермента мишени, в результате которой он теряет чувствительность к гербициду;

- индуцирование повышенного синтеза фермента без нарушения его нормального метаболизма;

- введение в геном растения фермента, способного деградировать и детоксицировать гербицид в растении.

При возделывании устойчивой к Раундапу сои большинство фермеров ограничивается лишь одной обработкой посевов этим гербицидом, традиционные же сорта требуют многократной обработки несколькими видами гербицидов. При этом затраты на химические средства защиты значительно сокращаются.

Многие насекомые, а также болезни, вызываемые грибной, бактериальной и вирусной инфекцией, наносят большой ущерб сельскохозяйственному производству. Хозяйства вынуждены тратить огромные средства на закупку различных химических средств для борьбы с вредителями и патогенами. При этом вносимые химикаты загрязняют окружающую среду, оказывают вредное влияние на млекопитающих и полезных насе­комых. Поэтому поиск и создание с помощью генно-инженерных мето­дов устойчивых к вредителям и болезням форм растений сейчас одна из актуальнейших задач.

Известно, что бактерия Bacillus thuringiensis синтезирует белковые кристаллические структуры, обладающие сильным инсектицидным действием. Попадая в кишечник насекомых, белок расщепляется под действием протеаз насе­комого до активного токсина, который и вызывает гибель насекомого. Известно и уже изолировано много различных Bt генов (cry гены), кодирующих инсектицидные белки, которые очень специфичны для различных видов насекомых. Важно подчеркнуть, что эти белки совершенно не токсичны для млекопитающих, рыб, беспозвоночных и полезных насекомых.

Созданные трансгенные растения баклажана полностью устойчивы к колорадскому жуку.

Первый коммерческий сорт картофеля, устойчивого к колорадскому жуку, создан фирмой Монсанто путем введения в геном картофеля модифицированного Bt гена cry III.

Активно ведутся работы по клонированию генов и созданию трансгенных растений, устойчивых против грибных, бактериальных и вирусных инфекций.

Повышении плодородия почв и продуктивности растений

В последние годы большое значение приобретают работы по созданию растений, устойчивых к таким факторам среды, как холод, засуха, засоление почвы, повышенное содержание озона, тяжелые металлы и др.

Перспективным в плане улучшения фотосинтетических способностей может быть обмен различными компонентами фотосистем между розничными растениями. Возможен обмен или модификация генов, кодирующих карбоксилазу, с целью более интенсивной фиксации СО₂ из воздуха. Идея создания трансгенных растений, способных фиксировать азот из воздуха, очень широко обсуждалась в первые годы после появления работ по успешной генетической трансформации растений. Однако меха­низм фиксации растениями молекулярного азота из воздуха оказался очень сложным и далеко не изученным, что не позволило пока создать трансгенные растения, способные самостоятельно, без помощи бактерий (фиксировать азот из воздуха. Тем не менее этот путь повышения продуктивности растений имеет перспективу в будущем. Уже делаются попытки ввести гены бобовых растений в зерновые культуры.

Быстрый рост народонаселения в мире, сокращение пахотных земель делают все более острой проблему производства продуктов питания. Генно-инженерные биотехнологии в сочетании с другими агроприемами способны помочь решить проблему обеспечения людей продуктами питания в 21 веке.

Назовем основные виды продуктов, получаемых в процессах биотехнологий для нужд растениеводства.

Антибиотики для растений. Выпускают специальные антибиотики, позволяющие «лечить» различные виды заболеваний растений (таких, как головня, спорынья и т. д.).

Ростовые вещества для растений. Подобно ростовым гормонам для животных, биотехнологические методы позволяют получать аналогичные по действию вещества и для растений (гибберелины).

Энтомопатогенные препараты. Вакцин для растений не существует. Зато есть оригинальные способы борьбы с насекомыми — вредителями растений. Для этой цели биотехнологическим путем выращивают специальные микроорганизмы, которые заражают и убивают насекомых, но не вредят человеку, животным и самому растению. Это гораздо полезнее, чем химические инсектициды, которые загрязняют окружающую среду и часто остаются на сельскохозяйственных продуктах, воздействуя, таким образом, на человека.

Феромоны. Еще один способ борьбы с насекомыми — обработка участков поля феромонами (половыми аттрактантами насекомых). Такие феромоны получают микробиологическим путем с использованием также химических стадий. Привлеченных феромонами насекомых собирают на обработанных участках и уничтожают.

Бактериальные удобрения. Имеются некоторые виды микроорганизмов, способных потреблять азот из воздуха и переводить его в аммонийную и органическую форму. Особенно эффективно обрабатывать этими микроорганизмами семена, которые при прорастании в симбиозе обеспечивают накопление азотного питания.