Новейшие методы селекции: клеточная инженерия, генная инженерия, хромосомная инженерия
Новосибирский Государственный Аграрный Университет.
Томский Сельскохозяйственный Институт.
Агроинженерный факультет.
Кафедра Ботаники
Новейшие методы селекции: клеточная инженерия, генная
инженерия, хромосомная инженерия.
(курсовая работа)
Выполнил
студент ΙV курса,
гр. 0225
Балашев Вячеслав Петрович
Проверил
преподаватель: к.б.н. Вайшля О.Б.
Томск 2005.
Содержание.
1.Введение.......................................................................................... 2
2. История методов............................................................................ 3
2.1 Из истории
селекции................................................................. 3
2.2 Из истории новых
методов селекции........................................ 4
3. Сущность и описание
методов...................................................... 8
3.1 Хромосомная
инженерия.......................................................... 8
3.2 Генная инженерия...................................................................... 9
3.3 Методы генной инженерии...................................................... 11
3.4 Нерешенные проблемы
генной инженерии............................. 12
4. Клеточная селекция...................................................................... 13
5. Использование
модифицированных растений - За и Против...... 14
5.1Генетически
модифицированные растения и экология........... 14
6.Заключение.................................................................................... 20
7. Список
использованных источников.......................................... 21
7.1 Источники интернет................................................................. 21
7.2 Литературные
источники........................................................ 21
8. Приложение 1....................... Ошибка! Закладка не определена.
Важнейшая роль биоинженерии направлена в современной
селекции на устойчивость и качество продукции, создание нового поколения
сортовых ресурсов страны.
Селекция это одна из важнейших наук на сегодняшний день. Эта наука
выходит на первый план среди многих естественных дисциплин.
С каждым годом методы селекции совершенствуются,
вводятся такие понятия как: генная инженерия, хромосомная инженерия, клеточная
инженерия. Традиционные методы заменяются более новыми, привычные технологии
становятся более совершенными.
Самыми значимыми и перспективными методами сегодня
являются - генная инженерия, хромосомная инженерия и клеточная инженерия.
Использование этих способов - это большой шаг в будущее.
По мнению ученых демографов, в ближайшие двадцать лет население
земного шара увеличится вдвое.
Пользуясь современными агрокультурами и агротехнологиями,
обеспечить продовольствием такое количество населения будет просто
невозможно. Следовательно, уже сейчас пора подумать о том, как с
наименьшими потерями поднять урожайность сельхозкультур вдвое. Поскольку для
обычной селекции срок в два десятилетия крайне мал, необходимо
воспользоваться новыми перспективными методами селекции.
Бурное развитие новых методов исследований в генетике,
расширение и углубление наших представлений о структуре и законах организации
наследственного аппарата клетки обусловили создание и разработку принципиально
новых методов.
Ранее генетическое разнообразие форм растений –
исходного материала для селекции – экспериментально создавалось в селекции
методами гибридизации, полиплоидии, мутагенеза и др. Теперь ученые могут
достигать еще большего разнообразия благодаря манипулированию отдельными
клетками живого организма, отдельными хромосомами и отдельными генами.
Родились новые понятия и направления современной генетики: клеточная,
хромосомная инженерия и генная инженерия. При этом принципиальное отличие
данных методов от традиционно используемых в селекции, например, мутагенеза,
состоит в целенаправленном, а не случайном расширении границ изменчивости
генотипа, в планируемом разнообразии исходного материала для селекции. Эти
современные методы большее применение пока получили в селекции растений.
Всем известны страсти, кипящие по поводу трансгенных животных и
растений. Общество разделилось на ярых противников и сторонников создания таких
организмов и использования полученных из них продуктов. Есть или не есть
продукты из трансгенной сои?
Как реагировать на все новые диковинные химеры – картофель, убивающий
колорадского жука; землянику, препятствующую образованию инея в саду; персики,
растущие за Полярным кругом; коз, дающих вместе с молоком вакцины против
болезней? Есть ли предел фантазии ученых, может быть, для них не осталось
ничего невозможного.
Чтобы ответить на эти вопросы, попробуем отбросить эмоции и разобраться
в том, какие открытия, сделанные на разных этапах развития науки, повлияли на
появление в наше время технологий получения трансгенных растений – способов
целенаправленного изменения их геномов путем вставки в них генов чужеродных
организмов.
Возникновение Селекции связано с введением в культуру
растений. Начав возделывать растения, человек стал отбирать и размножать
наиболее продуктивные особи, что способствовало их непроизвольному улучшению.
Так, на заре человеческой культуры возникла примитивная Селекция. Её история
исчисляется тысячелетиями.
Древние селекционеры создали прекрасные сорта плодовых растений,
винограда, многие сорта пшеницы, породы домашних животных. Им были известны
некоторые современные селекционные приёмы. Например, искусственное опыление
финиковой пальмы применяли в Египте и Месопотамии за несколько веков до н. э.
С развитием земледелия искусственный отбор лучших форм приобрёл
массовый, сознательный характер - появилась народная Селекция.
В России крестьяне создали сорта пшеницы (Крымка,
Белотурка, Полтавка, Гарновка и др.), подсолнечника (Зелёнка, Фуксинка),
высокорослые кряжи льна-долгунца (Смоленский, Псковский), сорта клевера
(Пермский), яблони (Антоновка, Грушовка) и др., получившие название местных,
или стародавних, хорошо приспособленные к местным условиям произрастания.
Лучшие сорта хлопчатника России и США берут своё начало от форм, происхождение
которых связано с культурой майя. В Перу выращивают кукурузу с очень крупным
зерном (относится к Куско-группе), созданную много веков назад.
Во второй половине XIX в. Немецкий ученый Герман
Гельрих 20 сентября 1886 г. сделал в Берлине, в Обществе немецких
естествоиспытателей и врачей, доклад «В какой форме азот доступен для
растений». Результаты его экспериментов доказывают участие в фиксации азота
микроорганизмов.
Правда, это открытие не стало для ученых большой неожиданностью, оно
уже было подготовлено ходом науки, – идея, что называется, носилась в воздухе.
Гельриху просто посчастливилось первому доказать то, что большинство ученых уже
давно предполагали.
Через два года, в 1888 г., знаменитый голландский бактериолог
М.Бейеринк, смог выделить и вырастить чистую культуру азотфиксирующих бактерий.
Позднее, по предложению Б.Франка, они получили название Rhizobium (1889 г.).
Еще через два года (1890) А. Празмовский показал, что эта культура
удовлетворяет постулатам Роберта Коха о паразитических бактериях. Он вырастил
растения гороха на стерильной почве, оказалось, что при таком выращивании
клубеньков у них не образуется. Потом ученый заразил выросший без клубеньков
горох чистой культурой Rhizobium leguminozarum и наблюдал, как после
этого на корнях растений развиваются клубеньки. Из этих клубеньков Празмовский
повторно выделил бактерии, которые оказались все теми же Rhizobium
leguminozarum.
Однако, несмотря на бурное и многообещающее начало, новые идеи в этой
области очень скоро перестали появляться
Однако именно этот «застой» вынудил ученых обратить внимание на «менее
интересные» факты: а именно, на другие случаи опухолеобразования у растений,
например на известные ботаникам корончатые галлы. Многие виды галлов вызываются
насекомыми-паразитами, но корончатые галлы возникали явно без их участия.
Первыми их исследователями были американский фитопатолог Э.Смит и датский
ветеринар К.Енсен. Причем, последний заинтересовался корончатыми галлами,
изучая образование опухолей у животных (растения служили ему моделью). Енсен
показал, что опухоль у свеклы может возникнуть, если заразить растение чистой
культурой Agrobacterium tumefaciens. Смиту и его сотруднику Гаунсенду удалось
показать то же самое для хризантемы.
Таким образом, был найден еще один интересный случай заражения растений
бактериями, причем эти бактерии относились уже к другому роду, а растения были
не бобовыми. И хотя при этом на растении также возникало разрастание тканей, на
симбиоз бобовых с Rhizobium это явно не походило. Ученые переключились на
эксперименты с бактериями – нужно было понять, чем они отличаются друг от
друга.
Ключом к решению проблемы стало обнаружение в 1974 г. у агробактерий
плазмид – небольших кольцевых молекул ДНК. Это открытие было сделано Генте в
лаборатории Дж.Шелла.
В 1978 г. разные группы ученых (под руководством Тампе
и Пти во Франции, М. ван Монтегю в Бельгии, Шелла и Холстера в Германии)
описали способность Тi-плазмиды (Ti – от tumor-inducing, индуцирующие опухоль)
передаваться от одной бактерии к другой путем конъюгации. Причем вызывали эту
передачу плазмиды знакомые нам опины.
Выяснилось, что бактерии действительно «заставляют» клетки растений
синтезировать опины. Самому растению они, как уже было сказано, не нужны,
использовать их они не могут, поскольку у них нет нужных для этого ферментов.
Зато такие ферменты имеются у бактерий, заразивших растение, – после этого им
уже не надо тратить энергию на добычу пропитания, опухоль больного растения поставляет
им пищу в избытке. Это и была разгадка роли опинов.
Были расшифрованы и все детали взаимодействия бактерии и растения при
участии Ti-плазмиды. Оказалось, что в растительную клетку переносится не вся
плазмида целиком, а только один ее участок (Т-ДНК). В этом участке закодированы
гены, заставляющие клетки растения усиленно делиться и синтезировать при этом
какой-либо из опинов. Интересно, что эти гены так похожи по своей организации
на гены растений, что они беспрепятственно функционируют в геноме растительной
клетки, хотя ни один из настоящих бактериальных генов на это не способен.
Так завершилась история исследования роли опинов. С этого момента
начинается уже другая история – история эры генной инженерии растений.
В 1978 г. Шеллом было показано, что Тi-плазмиду можно использовать как
переносчик любых чужеродных генов, если только вставить их в область Т-ДНК
плазмиды. В том же году эту возможность продемонстрировали Схильперорт и
Ледебур в Голландии, а позже, в 1980 г., Нестер и Чилтон в США. С этого
началась не только новая дорога научных поисков, но и новая эра в развитии
сельского хозяйства и мировой экономики.
Генная инженерия
Несомненно, что первым импульсом к генной и
хромосомной инженерии послужили достижения клеточной биологии, прежде всего реализация
методов культивирования клеток, тканей и органов. Для растений главным итогом
культуральных работ было установление принципа тотипотентности, то есть
возможности получения полноценного организма из любой клетки на специальных
искусственных средах. Важность этого принципа заключается в том, что любая
дифференцированная клетка в специально созданных условиях может повторить весь
путь онтогенеза, иными словами, весь путь развития организма.
Вторым импульсом для направленного введения чужих
генов в геном растений стало открытие механизма встройки почвенной бактерией
части своего генома в геном растений. В конце 70-х годов в ряде лабораторий
Бельгии, США и ФРГ было показано, что болезнь растений под названием
"корончатые галлы" не что иное, как опухолевые образования, которые
возникают в результате встройки в геном растения части мегаплазмиды почвенной
бактерии Agrobacterium tumefaciens. Это бактерия несет гены, вызывающие
опухоли у растений.
Экспериментаторы рассматривают
почвенную бактерию, как природного геноинженера. Пришлось только обезоружить
ее: опухолеиндуцирующую область плазмиды удалили и заменили на искусственно
сконструированный вектор, в который включен избранный нами чужой ген,
переносимый в ядерный геном растений. Следует отметить, что все трансгенные
растения получены на основе схемы агробактериального переноса. Однако она
эффективна лишь для двудольных растений. Для однодольных, в основном злаковых
растений, разработаны другие способы переноса генетических конструкций, из них
чаще используется баллистический - с помощью установки под названиями
"генная пушка", или "дробовик". На микрочастицы золота или
вольфрама помещаются ДНК-векторы и под давлением "выстреливаются" в
растительные клетки.
В настоящий момент хромосомная инженерия связывается,
прежде всего, с возможностями замещения (замены) отдельных хромосом у растений
или добавления новых.
Известно, что в клетках каждого диплоидного организма
имеются пары гомологичных хромосом. Такой организм называют дисомиком. Если в
какой-либо паре хромосом остается одна гомологичная хромосома, то получается
моносомик. При добавлении третьей гомологичной хромосомы возникает трисомик, а
при отсутствии в геноме одной пары гомологичных хромосом возникает нуллисомик.
Такие манипуляции с хромосомами дают возможность заменять одну или обе
гомологичные хромосомы, допустим, одного сорта пшеницы на ту же пару хромосом,
но из другого сорта. Что это дает селекционеру? Тем самым он может один
признак, который ему кажется слабым у данного сорта, заменить на этот же, но
более сильный признак из другого сорта. Таким образом, он приближается к
созданию « идеального» сорта, у которого все полезные признаки будут выражены в
максимальной степени.
Эту же цель преследует и методика замены отдельных
хромосом одного вида на хромосомы другого вида, близкого по своему
происхождению. В литературе принято вместо слов «замена хромосом» употреблять
«замещение хромосом». Поэтому полученные таким путем формы называются
замещенными линиями. Другой методический прием состоит во введении (внедрении)
в геном определенного вида или сорта какой-либо дополнительной пары хромосом
другого вида растений, которые определяют развитие признака, отсутствующего у
первого вида. Если такое введение пары дополнительных хромосом удается
осуществить, то полученные формы называют дополненными линиями.
Метод гаплоидов
Очень перспективен, основан на выращивании гаплоидных
растений с последующим удвоением хромосом. Например, из зерен кукурузы
выращивают гаплоидные растения, содержащие 10 хромосом, затем хромосомы
удваивают и получают диплоидные (10 пар хромосом), полностью гомозиготные
растения всего за 2-3 года вместо 6- 8-летнего инбридинга.
Получение полиплоидных остатков
Также важным методом хромосомной инженерии является
получение полиплоидных остатков в результате кратного увеличения хромосом.
Подробности метода описаны выше.
Под генной инженерией обычно понимают искусственный
перенос нужных генов от одного вида живых организмов (бактерий, животных,
растений) в другой вид, часто очень далекий по своему происхождению. Чтобы
осуществить перенос генов (или трансгенез), необходимо выполнить следующие
сложные операции:
-
выделение из клеток
бактерий, животных или растений тех генов, которые намечены для переноса.
Иногда эту операцию заменяют искусственным синтезом нужных генов, если таковой
оказывается возможным;
-
создание специальных
генетических конструкций (векторов), в составе которых намеченные гены будут внедряться
в геном другого вида. Такие конструкции кроме самого гена должны содержать все
необходимое для управления его работой (промоторы,терминаторы) и
гены-«репортеры», которые будут сообщать, что перенос успешно осуществлен;
-
внедрение генетических
векторов сначала в клетку, а затем в геном другого вида и выращивание
измененных клеток в целые организмы (регенерация).
На рисунке (Приложение 1, рис. 1.) показана одна из
схем получения гена, кодирующего нужный нам белок. На первом этапе из клеток
выделяют и-РНК. Затем на ней, как на матрице, синтезируют нить комплиментарной
ей ДНК (к-ДНК). Благодаря этому получается гибридная ДНК-РНК-молекула. После
удаления РНК из этой молекулы на оставшейся одноцепочечной ДНК осуществляют
синтез второй нити. В результате возникает полноценная молекула ДНК.
Используя специальные ферменты, ее встраивают в
кольцевую ДНК плазмид (внехромосомных молекул ДНК), которые выполняют роль
переносчика нужного гена. На последнем этапе плазмиды со вставкой встраиваются
в бактериальную хромосому. В ней перенесенный ген человека, животного, растения
или другого микроорганизма начинает работать, и в бактериальной клетке
накапливается необходимый белок, остается лишь выделить его из бактериальной
массы. Таких бактерий размножают в промышленных масштабах и получают
необходимый белок в больших количествах. Все эти технологические приемы
основаны на успехах в познании физико-химических основ жизни. Решение
практических задач с помощью описанных методов молекулярной биологии и генетики
и составляет сущность генной инженерии.
Растения и животные, геном которых изменен в
результате таких генно-инженерных операций, получили название трансгенных
растений или животных.
Для более наглядного представления рассмотрим пример,
в котором ученым из разных стран, в том числе и нашей, удалось с помощью
генно-инженерных методов создать ценные для селекции новые формы растений. В
природе существует бактерия Bacillus thuringiensis, которая нарабатывает белок,
называемый эндотоксином. Свое название он получил потому, что при
попадании этой бактерии в желудок насекомых – вредителей сельскохозяйственных
растений этот белок вызывает лизис (разрушение) стенки желудка и гибель
насекомого – вредителя. Это свойство белка генные инженеры решили использовать
для создания форм полезных сельскохозяйственных растений, устойчивых к
насекомым – вредителям. Они выделили из бактериальной ДНК ген, кодирующий белок
эндотоксин. Далее ген был встроен в состав природных генетических векторов –
Ti-плазмид, присутствующих в клетках почвенной бактерии Acrobacterium
tumefaciens. Этой бактерией были заражены кусочки растительной ткани,
выращиваемой на питательной среде. Через некоторое время плазмиды, несущие ген
белка-токсина, внедрились в растительные клетки, а затем ген встроился в ДНК растений.
О том, что этот процесс прошел успешно, сообщил специальный ген-«репортер»,
также искусственным путем введенный в состав Ti-плазмид. Затем кусочки
растительной ткани перенесли на питательную среду другого состава, которая
обеспечивает рост и развитие полноценных растений. В конце концов, такие
растения были выращены, и оказалось, что если на их листья посадить гусениц
насекомых-вредителей, то, попробовав растительной ткани с белком-токсином,
гусеницы погибают. Важно, что белок-токсин оказался гибельным только для
насекомых и совершенно безвреден для человека и сельскохозяйственных животных.
Описанным выше путем к настоящему моменту удалось получить формы картофеля,
томатов, табака, рапса, устойчивые к разнообразным сельскохозяйственным
вредителям. Это одно из первых и самых значительных достижений генной инженерии
растений в практической селекции.
Одной из важных областей приложения методов генной
инженерии в растениеводстве является биологическая фиксация азота. Эти
исследования проводятся с целью повышения продуктивности азотфиксирующих
бактерий и получения эффективных биологических препаратов для фиксации азота
посевами как бобовых, так и не бобовых культур; создания симбиотических
отношений между азотфиксирующими микроорганизмами и не бобовыми культурами, в
частности злаковыми; получения растений, способных самостоятельно, без помощи
микроорганизмов, фиксировать азот.
Обнаружены азотфиксирующие микроорганизмы из семейств
Spirillaceae, Enterobacteriaceae, Bacillaceae и ряда других, способные сосуществовать
с корневой системой злаков (рис, кукуруза, пшеница, сорго), снабжающей их
углеводами. Наиболее широко работы ведутся с бактериями Azospirillum (Postgate,
1989). В серии опытов, проведенных в различных штатах Индии, инокуляция семян
пшеницы, риса, сорго, проса ри-зосферными азотфиксаторами обеспечивала прибавки
урожая зерна до 30% (Subba Rao, 1982).
К методам прямого переноса чужеродной ДНК в
протопласты растений и животных относится электропарация: кратковременные
электрические разряды (1—100 мкс при напряженности поля 1000—10000 В/см2)
увеличивают проницаемость мембран протопластов, куда и проникает находящееся в
растворе ДНК. Так были получены трансформанты кукурузы, риса и сахарного
тростника. В MCXA разрабатывается метод введения чужеродной ДНК с
использованием электрофореза в агаровом геле. Показана возможность применения
данного метода для трансформации каллусов пшеницы с последующей регенерацией из
них трансгенных растений.
Оригинальный
способ введения чужеродной ДНК в злаки разработан в Корнельском университете
США. С помощью генетического пистолета в клетки растений выстреливают крохотные
вольфрамовые шарики, покрытые генетическим материалом. Например, способ
баллистической трансформации применили для введения гена вируса табачной
мозаики в клетки лука. Была установлена экспрессия гена в клетках (Уайк, 1988).
Метод высокоскоростной баллистической трансформации в настоящее время широко
используется в Центре "Биоинженерия", ИМГ, ИФР. ВНИИСБ при создании
трансгенных растений пшеницы, кукурузы, подсолнечника, плодовых.
Одной из самых значительных
трудностей генной инженерии является введение в геном больших генов или
нескольких функциональных генов. Это связано с емкостью векторов для
трансформации. Гены, в особенности эукариотические значительны по размеру(5-15
т.н.п.), но они все чаще используются для трансформации растений. Но кроме
выбранного гена векторные конструкции должны содержать в себе селективные гены.
В некоторых случаях для укорачивания конструкции используют кДНК
последовательности. Однако кДНК комплексы не всегда приемлемы из- за специфики
сплайсинга in vivo.
Лимитирующим фактором для трансформации растений может быть и то, что
необходимый признак кодируется несколькими генами, и получение трансгенных
растений обладающих такими признаками пока технически не выполнимо.
Отдельно стоит проблема, возникающая при экспрессии чужеродного гена.
Часто после двух - пяти поколений активно транскрибирующийся ген, перестает
экспрессироваться. Чаще всего инактивация трансгена происходит из-за
метилирования регуляторных последовательностей, либо возможна репрессия в
результате взаимодействия с промотором каких-то белков. Активировать такой
выключенный трансген не представляется возможным. Спрогнозировать данную
ситуацию довольно-таки трудно, так как она зависит от ряда факторов, в том
числе и от последовательности самого белка и конкретном месте интеграции его в
геном растения. Преодолеть это вероятно в какой-то мере возможно путем
получения многократной трансформации и получения различных линий, несущих
одинаковую векторную конструкцию с различными местами интеграции в геном
растения.
Одной из самых главных причин сдерживающих интенсивность и
эффективность работ по трансгенезу остается крайне слабое развитие исследований
по идентификации эффективных генов, созданию банков генов и ограниченная
научная база генетической инженерии, что связано с крайне слабой финансовой
поддержкой в нашей стране генной инженерии, как важнейшего приоритета XXI века.
Более широкое практическое
применение в настоящее время получило другое важнейшее направление современной
биотехнологии — клеточная селекция как метод создания новых форм растений путем
выделения мутантных клеток и сомаклональных вариаций в селективных условиях.
Клеточная селекция
является как бы развитием мутационной селекции, но реализуется на уровне
единичных клеток с использованием техники in vitro, что придает ей, с одной
стороны, более широкие возможности, а с другой стороны — создает значительные
трудности из-за необходимости регенерации из отдельных клеток полноценных.
Преимущество клеточной селекции перед традиционными методами состоит в
отсутствии сезонности в работе, возможности использования миллионов клеток при
отборе, направленности селекции путем применения селективных сред и выполнении
работ в лабораторных условиях.
С развитием культуры in
vitro появилась реальная возможность более широкого использования гаплоидии в
селекции сельскохозяйственных культур. Применение метода культуры клеток
позволило осуществить регенерацию растений из генеративных клеток, содержащих
гаплоидный набор хромосом. Стало возможным массовое получение гаплоидов.
Практическое значение в селекции в настоящее время получили культура пыльников
(андрогенез), завязей и семяпочек (гиногенез) и метод гаплопродюсера, который
является разновидностью гиногенеза Keller et al., 1987).
В Селекционно-генетическом институте (г. Одесса, бывш. ВСГИ) методом
гаплопродюсера были созданы первые два отечественные сорта ячменя Исток и
Одесский 115. Сорт Одесский отличался повышенной продуктивностью и
устойчивостью к болезням и был признан перспективным в ряде областей
(Ново-лоцкий, 1986). В последующем этим методом были получены засухоустойчивые
сорта Прерия и Степной дар (Новолоцкий, 1997). Срок выведения сортов ячменя при
использовании гаплоидной селекции сокращается на 4—6 лет.
При изучении растений, регенерированных из соматических клеток в
культуре in vitro, было установлено, что они генетически не всегда однородны.
Эту, так называемую, сомаклональную изменчивость, как источник полезных мутаций
стали использовать в селекции растений. У регенерантов в отличие от
индуцированных мутантов редко наблюдается мозаичность, что является результатом
их происхождения из единичной клетки, и поэтому сомаклоны могут быть
стабилизированы в течение одного поколения.
Теоретически генетически модифицированные растения
(ГМР) не могут не влиять на экологию нашей планеты. Прежде всего, нельзя
исключить возможность того, что ГМР или технологии их выращивания будут
нежелательно воздействовать на те организмы, на которые никакого влияния не
предполагалось вовсе. Главной мишенью для критики экологической безопасности
ГМР стали так называемые растения-пестициды, которые в результате генетической
трансформации продуцируют токсичные вещества, уничтожающие тех или иных
вредителей. Наиболее правомерно оценивать не абсолютный вред таких культур, а
относительный - сравнить его с побочными эффектами применения ядохимикатов.
Преимущество белковых токсинов, продуцируемых ГМР,
перед синтетическими пестицидами очевидно: большие и нестойкие молекулы белков
не накапливаются в природе - быстро распадаются до аминокислот; кроме того, они
более специфичны, то есть уничтожают только определенных вредителей (бактерии,
грибы, насекомые). Маленькие же молекулы пестицидов чаще поражают ни в чем не
повинные организмы и из-за высокой химической стабильности могут проходить по
пищевым цепям и накапливаться на их вершине. В общем, растениям-пестицидам по
своей ядовитости далеко до ДДТ.
Преимущество ГМР перед ядохимикатами было со всей
очевидностью доказано в "конфликте" бабочки-монарха и Вt-кукурузы.
Бабочка-монарх (Danaus plexippus) привлекает всех любителей природы своей
красотой. Ученые-энтомологи тоже любят ее за уникальное свойство - ежегодно по
пути из Канады в Мексику монархи преодолевают около 4000 км. Никакая другая
бабочка на такое не способна. Вt-кукуруза содержит ген Вt-токсина (о нем
упоминалось ранее), встроенного в ДНК кукурузы для борьбы с кукурузным
мотыльком, уничтожающим до 7% урожая кукурузы в мире (40 млн. тонн). Агентство
по охране окружающей среды США проверяло эту кукурузу и признало ее нетоксичной
для всех организмов, кроме мотылька-вредителя.
Но в мае 1999 года в журнале "Nature"
появилось короткое сообщение, что смертность личинок бабочки-монарха,
питающихся листьями с пыльцой Вt-кукурузы, намного выше нормы. Авторы сделали
вывод, что широкое распространение Bt-кукурузы приведет к исчезновению
бабочки-монарха.
Ученые же начали широкомасштабное исследование этого
вопроса. В сентябре 2001 года Национальная академия наук США обнародовала
результаты двухлетних исследований ряда университетов США и Канады, проведенных
под эгидой Министерства сельского хозяйства США. Заключение гласило, что пыльца
Вt-кукурузы не опасна для личинок бабочки-монарха. А вот от широко применяемого
на кукурузных полях цихалотрин- l-инсектицида численность их действительно
сокращается.
Гринпис подал судебный иск, но Верховный суд США
постановил, что у полезных насекомых больше шансов выжить на Bt-растениях,
нежели когда поля обрабатываются пестицидами. Количество же применяемых
инсектицидов в мире только из-за выращивания Вt-хлопка сократилось на 33 тысячи
тонн. А всего в 2001 году в США выращивание трансгенных растений, устойчивых к
гербицидам и насекомым, позволило уменьшить использование ядохимикатов на 20,7 тысячи
тонн. Все это положительно сказывается как на окружающей среде, так и на
здоровье фермеров, а также улучшает биоразнообразие на полях.
Еще одной потенциальной угрозой биоразнообразию
считают утечку генов из трансгенных растений - горизонтальную (в
микроорганизмы) и вертикальную (в растения).
Горизонтальный перенос генов (то есть вне системы
родитель - потомство) уже упоминался ранее (перенос в патогенные бактерии).
Теоретические модели и эксперименты показывают, что перенос ДНК из ГМР в
микроорганизмы случается, если вообще имеет место, с очень маленькой
вероятностью. Если бы это на самом деле происходило так быстро и просто, как
считают оппоненты генной инженерии растений, то за миллионы лет эволюции гены
всех организмов совершенно перемешались бы. В действительности же на
сегодняшний день известно всего несколько случаев горизонтального переноса из
растений в бактерии, и самый последний имел место более 10 млн лет назад.
Вертикальной утечкой генов называется перенос ДНК от
родительского растения его потомкам. Этот перенос осуществляется через пыльцу
при переопылении культурных растений (любых, не только трансгенных) с
близкородственными культурными, сорными или дикорастущими видами. Такая утечка
из сельскохозяйственных культур происходит постоянно, а началась она, когда
человек занялся селекцией. Этот процесс идет и в обратном направлении, что, как
правило, ухудшает свойства культурных растений. Какая же угроза может произойти
от вертикальной утечки трансгенов? Но уже в 2001 году появились заявления о
том, что пищевая безопасность человечества под угрозой - с ними выступили
представители экологических организаций после появления в ноябре 2001 г. в
одном из самых респектабельных научных журналов мира "Nature" статьи
о том, что в мексиканской провинции - колыбели кукурузы в полудиких местных
сортах - обнаружены фрагменты трансгенной ДНК, разбросанные по геному
немодифицированной кукурузы.
Бурной была реакция и экологических организаций, и
научного сообщества. Заметим, никто из ученых не подверг сомнению саму
возможность переноса трансгенов в дикую кукурузу, а это так обеспокоило
противников ГМР. Напротив, многие высказали удивление, что такой солидный
журнал опубликовал статью, в которой, по сути, не содержалось ничего нового,
так как возможность переноса трансгенов в близкородственные виды путем
переопыления доказана уже давно. Непонятно только, почему по геному были
рассеяны фрагменты трансгена, ведь при переопылении происходит встраивание гена
целиком, и нет ли здесь какой-нибудь технической ошибки?
В ответ на публикацию в "Nature"
Международный центр по изучению кукурузы и пшеницы (CIMMYT), расположенный в
Мексике, в течение года проверил более 300 так называемых "фермерских
сортов" кукурузы и ни в одном из них трансгенную ДНК не обнаружил. История
закончилась тем, что в апреле 2002 года "Nature" опубликовал два
письма с критикой результатов работы и ответ на критику самих авторов
нашумевшей публикации, признающих, что "некоторые их результаты были
ошибочными". Кроме того, редактор в том же номере выступил с
беспрецедентным заявлением, что журнал "пришел к заключению, что
предъявленных доказательств недостаточно для оправдания публикации", а
затем призвал читателей "самим принять решение" в этой истории.
Но даже если перенос и состоялся, существовала ли
угроза генетическому разнообразию? Не нужно считать, что геномы диких видов
законсервированы и любой приток извне несет им угрозу. Статья об ошибочности
такого мнения была опубликована в журнале "Science" в феврале 2000
года, еще до "кукурузной" истории. В ней говорилось: сорта кукурузы,
выращиваемые фермерами, сегодня не те, что были пять лет назад, и уж тем более
не те, что были сто или пятьсот лет назад. Исследования показали - в результате
перекрестного опыления и деятельности человека сорта постоянно изменяются.
Кроме того, в настоящее время фермеры часто используют семена из других
регионов. Таким образом, генетическое разнообразие на полях является вовсе не
статичной, а динамичной системой. Также было установлено, что в силу
биологических особенностей перенос трансгенов в геном ближайших родственников и
предков кукурузы (теосинте и трипсакум) не представляет опасности.
Кстати, вертикальной утечки генов можно избежать.
Технологии, позволяющие предотвратить возможность переноса новых генов при переопылении,
в настоящее время активно разрабатываются. Например, если генетически
трансформировать хлоропласты, то чужеродных генов в пыльце просто не будет.
Но, может быть, пример с кукурузой - это частный
случай, а перенос трансгенов в рис или рапс более опасен для биологического
разнообразия? Вот самый мрачный сценарий: трансгенная пыльца опыляет несколько
растений, их потомство становится трансгенным, размножившиеся генетически
модифицированные растения опыляют еще больше растений, и так, пока все растения
не станут трансгенными. Дикие родственники трансгенных культур, получившие с
трансгенами устойчивость к вредителям, патогенам, засухе, морозам, со временем
вытеснят естественную флору, а вместе с ней и другие организмы, зависящие от
нее. Но совсем плохо, если эти родственники - сорняки. Получив устойчивость к
ядохимикатам, они станут суперсорняками, для уничтожения которых потребуются
огромные дозы гербицидов, что в результате приведет к непредсказуемым
последствиям не только для дикой природы, но и для сельского хозяйства. Кроме
того, устойчивые ГМР будут способствовать появлению супервредителей и
суперболезней, с которыми просто не справиться. На деле же такой сценарий
весьма маловероятен. Для того чтобы новый ген закрепился в популяции, он должен
придавать виду некие эволюционные преимущества. Устойчивость к гербицидам или
определенным вредителям таковым не является. Но даже если предположить, что
какой-либо ген даст это преимущество и вид начнет усиленно размножаться, то и
тут ничего катастрофического не произойдет. Последует рост численности
животных, питающихся этим растением, а также микроорганизмов и насекомых,
паразитирующих на нем, что уравновесит экологический баланс. Так что в
естественных условиях доминирование одного вида невозможно по определению.
Доминирующий вид способен существовать только при поддержке человека. Тем не
менее, уступая общественному мнению, для предотвращения этой гипотетической
опасности производители ГМР вводят ограничения на возделывание генетически
модифицированных культур в районах, где растут дикие родственники этих
растений.
Ученые знают, что в первую очередь биоразнообразию
угрожает не замена одного сорта (или даже десяти сортов) на другой, а
превращение природных ландшафтов в сельскохозяйственные. Так, нобелевский
лауреат Норманн Борлоуг писал, что для получения урожая 1998 года по
технологиям 1950 года потребовалось бы дополнительно распахать 1,2 млрд
гектаров земли, то есть 33% всех пастбищ или 29% всех лесов в мире, а с учетом
меньшей продуктивности этих земель - и того больше. Никакое использование
удобрений и ядохимикатов и тем более, генетически модифицированных растений, не
сравнится с ущербом окружающей среде от увеличения площади сельскохозяйственных
угодий. Кроме того, в некоторых регионах, например в Юго-Восточной Азии,
свободные земли взять просто неоткуда. А все увеличивающееся население Земли
надо как-то кормить. Генная инженерия растений, как и другие способы
интенсификации сельского хозяйства, даст возможность сохранить нетронутыми
огромные площади лесов, степей, лугов. А в идеальном случае позволит даже
сократить площадь земель сельскохозяйственного назначения. Вот почему генная
инженерия растений способствует сохранению биоразнообразия дикой природы, а не
его уничтожению.
Еще один "конек" борцов с ГМР - это забота
об органическом земледелии. Оно, как известно, исключает использование
трансгенных растений, как, впрочем, и ядохимикатов и минеральных удобрений.
Зато оно активно использует Bt-инсектициды. Поэтому трансгенным культурам со
встроенным геном Bt-токсина достается от борцов особенно сильно. Дескать, их
использование будет способствовать появлению у вредителей устойчивости к
натуральному Вt-инсектициду, что создаст проблему для фермеров, практикующих
органическое земледелие с его использованием. Другие мыслят глобально - зачем
вообще нужны ГМР с их устойчивостью к болезням, вредителям, ведь природа в
любом случае ее преодолеет. Человек, ускоряя эволюцию, все равно проигрывает
гонку: патогены приобретают устойчивость к антибиотикам, сорняки - к
гербицидам, вредители - к инсектицидам. Не бессмысленны ли потуги человечества?
Что тут возразить? Процесс приспособления вредителей и патогенов к средствам
борьбы с ними пошел с момента возникновения земледелия. Точно так же природа
"одолевает" полезные свойства сортов, выведенных путем традиционной
селекции. Такова плата за прогресс. Вопрос лишь в том, захотят ли эти борцы за
чистоту земледелия вернуться на несколько веков назад, когда 100% земледелия
было органическим (а не 3%, как сейчас), а о пестицидах, антибиотиках и прочей
вредной "химии" никто и не слыхивал? Маловероятно. Но все же стоит
напомнить, что средняя продолжительность жизни тогда составляла не более 30
лет, сельским хозяйством занималось почти все население, а неурожаи и голод в
России случались раз в 3 года, в менее суровой по климату Европе - раз в 5-6
лет, приводя нередко к катастрофическим последствиям: более двух третей
новорожденных умирало от инфекционых болезней; диагнозы "пневмония" и
"туберкулез" были сродни смертному приговору; ничтожное ранение или
травма вызывали гангрену и сепсис. Откажутся ли оппоненты "всякой
химии" от лечения антибиотиками, если их жизнь окажется под угрозой?
В курсовой работе рассмотрены новые методы селекции, а также перспективы
развития методов - таких как генная инженерия, клеточная и хромосомная
инженерия.
В курсовой работе рассмотрена история селекции в разрезе новых
технологий. На сегодняшний день необходимо внедрять эти методы в современное
сельское хозяйство. Но перед нами стоит большая проблема малой развитости
данных технологий в Российской Федерации. В большинстве случаев в нашей стране
просо не хватает финансирования для организации своего производства. Также
одной из важнейших проблем в этой области является несовершенно проработанное
законодательство.
Большое внимание я уделил продукции, получаемой методами генной
инженерии, так как считаю эту проблему насущной на сегодняшний день. Научный
мир, работающий в этой области в настоящее время разделен на две противоборствующие
стороны - сторонники ГМ продуктов и их противники. Поэтому в курсовой работе
указаны За и Против этих методов.
В заключении хотелось бы отметить мое не однозначное отношение к
продукции получаемой современными методами селекции, а в частности генной
инженерией. Так как основы доводов противников и сторонников по моему мнению
изучены не достаточно, и поэтому в будущем необходимо уделять большое внимание
изучению трансгенной продукции на организм человека.
1. 7.2 Литературные источники.
1.
Шевелуха В.С., Калашникова В.А.; под ред. В.С.
Шевелухи. Сельскохозяйственная биотехнология. М.: Высшая школа. 2003г.
2.
8. Большой энциклопедический словарь. – 2-е изд.,
перераб. И доп. – М.: Большая Российская энциклопедия, 1998, - 1456 с.
3.
Муромцев Г. С., Бутенко Р. Г., Тихоненко Т. И. и
др. Основы сельскохозяйственной биотехнологии. М., 1990.
Рисунок 1. Схема
получения гена, кодирующего нужный в производстве белок.