Трансгенные растения устойчивые к насекомым вредителям
Обновлено: 05.10.2024
Появление этой монографии было бы невозможно без поддержки, дискуссий и помощи Николая Бойко, искреннюю благодарность которому автор и выражает.
После выяснения биологической роли нуклеиновых кислот, открытия структуры молекулы ДНК, расшифровки генетического кода эти трансформации многократно ускорились, расширились по масштабам и углубились. Они вышли за пределы собственно естествознания, интегрировались в человеческую ментальноетъ, стали, наконец, одним из доминирующих факторов современной техногенной экономики и социальной эволюции общества.
Кризис аграрной цивилизации
14 основных проблем, стоящих перед человечеством, или почему нужна современная биотехнология
Традиционная этическая отстраненность ученых привела к тому, что они рассматривают результаты своей деятельности как факты науки, полезные для ее развития безотносительно к социальным и духовным последствиям. Однако научное открытие не остается достоянием профессиональной сферы, а так или иначе выходит за ее пределы, становясь фактом духовной жизни и способствуя ее развитию или разрушению.
В биологии хорошо известно, что сохранение вида, в частности, млекопитающих, к которым принадлежит и человек, обеспечивается наличием двух врожденных инстинктов — самосохранения и продолжения рода. Они выработаны путем естественного отбора и включают множество разнообразных характеристик, спектр которых имеет свои особенности у каждого вида. Но есть в этом и основной герой, основа жизни — это ДНК и ее стабильность. Суть секрета — в устройстве молекулы ДНК, в ее двух комплементарных цепочках.
Как же природе удается из века в век репродуцировать, раз за разом повторять свои изделия? И не приближенно, оставляя лишь главное, не заботясь о деталях, — а творить словно бы под копирку миллионы лет, без ошибок и монстров-химер, добиваясь воспроизведения особенностей и даже самых мельчайших нюансов. Теперь мы знаем, что в фундаменте жизни лежит ДНК. Наследственность, изменчивость и отбор — вот основы, на которых держится жизнь на Земле и эволюция ее форм.
Время возникновения человека как вида оценивается по-разному, но, во всяком случае, не менее чем несколькими сотнями тысяч лет. Центром его происхождения принято считать Африку, далее последовали сложные этапы и пути его распространения по Земному шару. Для миграции человека было множество причин, ведущей из которых, возможно, являлось проявление инстинктов самосохранения и продолжения рода. Именно благодаря им человек, для своего выживания, научился создавать для себя искусственную среду обитания. Это позволило ему осваивать все новые регионы обитания. Очевидно, однако, что этот процесс сопровождался и существенными экологическими изменениями. Часто, захватывая новую область, человек настолько ее истощал, что возникала пустыня — например, знаменитая пустыня Сахара. Это приводило к дальнейшей миграции человека в пока более плодородные земли. Хозяйственная деятельность человека, в конечном итоге, приобрела роль геологического фактора в глобальном масштабе.
Одна из особенностей человеческого сознания состоит в том, что нам свойственно придавать приоритетное значение той информации, которая касается нас самих или наших близких. В то же время информация о событиях, несущих угрозу жизни, если эта угроза как-то отдалена во времени в будущее или носит вероятностный характер, в индивидуальном восприятии кажется менее достойной внимания. Например, высокая вероятность наступления преждевременной смерти мало кого отвратила от курения табака, зато какую бурю эмоций способно вызвать изменение вкуса привычной еды или технологии ее получения. Хороший пример — это дискуссия по поводу генетически модифицированных организмов (ГМО).
Во второй половине XX в. наступила новая стадия развития человечества — стадия глобализации. Человечество впервые в истории столкнулось с глобальными опасностями и угрозами, которые затрагивали все человечество и весь мир, а не конкретную страну и конкретную нацию, область и племя — ядерная катастрофа, смертельные болезни, связанные с необратимым нарушением иммунной защиты организма (СПИД, лихорадка Эбола и т.д.), терроризм, техногенные катастрофы — так что разные народы были вынуждены прийти к осознанию своей единой планетарной судьбы.
- Растения-ГМО: как это делается
- Растения-ГМО: практическое применение
- Растения-ГМО: проекты в перспективе
Растения-ГМО: практическое применение
Это, конечно же, крайние проявления. Но каждого современного человека беспокоит вопрос: нужно ли бояться генетически модифицированных растений? Что они несут миру: пользу или вред? Однозначного ответа не существует. И с каждым конкретным случаем применения ГМО нужно разбираться отдельно.
Какие же проекты с участием трансгенных растений человечество разрабатывает сегодня?
Устойчивость к вредителям
Насекомые-вредители при вспышках численности могут уничтожать существенную часть урожая (если не весь урожай). Для борьбы с ними применяют довольно агрессивные вещества — пестициды (от лат. pestis — вредоносный бич, зараза и caedo — убивать). Пестициды уничтожают и вредных, и полезных насекомых (например пчёл, шмелей, жужелиц), оказывают влияние на почвенных обитателей, а при попадании в водоёмы пестициды могут вызвать гибель рыб. Применение пестицидов опасно в первую очередь для людей, работающих в сельском хозяйстве: именно они готовят растворы, проводят опрыскивания, работают в поле, пока пестицид продолжает действовать. К нам на стол попадает лишь ничтожная часть пестицидов, которые по большей части уже разложились. Избавиться от остатков пестицидов можно, тщательно вымыв овощи и фрукты или очистив кожицу.
Отказаться от применения пестицидов пока ещё нельзя: тогда размножатся вредители и человечество останется без урожая. А нельзя ли сделать культурные растения несъедобными для насекомых?
Таким образом, при внедрении генетически модифицированных пищевых растений часть людей окажется к ним довольно чувствительной, но другие так или иначе приспособятся. Но чувствительные люди должны точно знать, какие продукты приготовлены с применением ГМО.
Полезно знать, что сегодня в Россию можно ввозить и использовать в пищевых технологиях 16 сортов и линий генетически модифицированных растений — в основном устойчивых к тем или иным вредителям. Это кукуруза, соя, картофель, сахарная свёкла, рис. От 30 до 40% продуктов на современном рынке уже содержат компоненты, полученные из ГМО. Парадоксально, что при этом выращивать генетически модифицированные растения у нас в стране не разрешается.
В утешение скажем, что в США — стране, которая выращивает 2/3 мирового урожая генетически модифицированных растений — до 80% продуктов содержат ГМО!
Устойчивость к вирусам
Ризомания — это всего лишь один пример. С развитием транспорта вирусы растений вместе с урожаем быстро перемещаются по планете, минуя таможенные барьеры и государственные границы.
Есть и другие проекты, связанные с повышением устойчивости к вирусам. Например, огурцы, дыни, арбузы, кабачки и тыква поражаются одним и тем же вирусом мозаики огурца. Кроме того, в круг хозяев входят томаты, салат-латук, морковь, сельдерей, многие декоративные и сорные растения. Бороться с вирусной инфекцией очень трудно. Вирус сохраняется на многолетних растениях-хозяевах и на остатках корневой системы в почве.
Как и в случае с ризоманией, против вируса мозаики огурца помогает образование белка его собственного капсида в растительных клетках. На сегодня получены устойчивые к вирусу трансгенные растения огурцов, кабачков и дыни.
Ведутся работы и по повышению устойчивости к другим вирусам сельскохозяйственных растений. Но пока ещё, за исключением сахарной свёклы, устойчивые генетически модифицированные растения мало распространены.
Устойчивость к гербицидам
И тогда возникла идея: сделать культурные растения устойчивыми к гербицидам сплошного спектра действия! Благо, у бактерий есть гены, отвечающие за разрушение многих гербицидов. Достаточно просто пересадить их в культурные растения. Тогда вместо постоянных прополок и рыхления междурядий над полем можно распылить гербицид. Культурные растения выживут, а сорняки погибнут.
Именно такие технологии предлагают фирмы, производящие гербициды. Причём выбор трансгенных семян культурных растений зависит от того, какой гербицид фирма предлагает на рынке. Каждая фирма разрабатывает растения-ГМО, устойчивые к своему гербициду (но не к гербицидам конкурентов!). Ежегодно в мире на полевые испытания передают 3–3,5 тыс. новых образцов растений, устойчивых к гербицидам. Даже испытания устойчивых к насекомым растений отстают от этого показателя!
Устойчивость к гербицидам уже широко применяется при выращивании люцерны (кормовая культура), рапса (масличное растение), льна, хлопчатника, кукурузы, риса, пшеницы, сахарной свёклы, сои.
Хозяйства вынуждены тратить огромные средства на закупку различных химических средств защиты растений от вредителей и для борьбы с патогенами. При этом вносимые химикаты загрязняют окружающую среду, они оказывают вредное воздействие на млекопитающих и полезных насекомых. Поэтому поиск, а также создание с помощью генно-инженерных методов, устойчивых к вредителям новых растений - сейчас одна из актуальнейших задач.
Накопленные знания о механизмах патогенеза и современные возможности генетической инженерии позволяют разрабатывать научные методы создания ГМ растений, которые устойчивы к насекомым-вредителям, к грибным, бактериальным и вирусным инфекциям.
Давно 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. Естественные Bt гены, перенесенные в растения, плохо экспрессируются. Поэтому генно-инженерными методами их модифицируют, добиваясь более высокой экспрессии в клетках растений. Так, замена 4 участков гена cry III класса на синтетические фрагменты привела к резкому повышению экспрессии гена. 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. Этой же и другими фирмами на основе Bt генов получены устойчивые к насекомым коммерческие сорта хлопка, кукурузы и риса.
Защита от насекомых может быть достигнута путем создания ГМ растений, несущих гены, кодирующие инсектопестициды грибов - пестициды. Например, из некоторых грибов выделены высоковирулентные изоляты против тлей и белокрылки – насекомых, наносящих огромный вред при выращивании растений в теплицах.
В качестве кандидатов генов, чьи продукты могут обладать инсектицидным действием, могут быть гены ингибиторов сериновой и цистеиновой протеаз, сr-амилазы, лектинов, хитиназ, липоксигеназ. Активно ведутся работы по клонированию генов и созданию ГМ растений, устойчивых против грибных, бактериальных и вирусных инфекций. Известно, что в ответ на инфекцию патогенов в растениях включается целый набор различных защитных механизмов.
Реакции растений на фитопатогены можно разделить на 3 группы:
· растение имеет полный иммунитет против данного патогена;
· в ответ на повреждение происходит быстрая программируемая гибель клеток в точке внедрения патогена (так называемая реакция сверхчувствительности), при этом патоген не успевает распространиться и погибает вместе с клетками растения;
· патоген преодолевает ответные защитные реакции организма и вызывает различной степени повреждения вплоть до гибели растения.
В качестве защитного ответа на повреждение в растении начинается синтез соединений, токсичных для патогенов, могут также создаваться структурные барьеры за счет усиления клеточных оболочек путем лигнификации или накопления гликопротеидов.
Инфекция вызывает у растений синтез вторичных метаболитов (например, антибиотиков типа фитоалексинов), окисление фенольных соединений, синтез защитных полипептидов (PR белки). Выделяют не¬сколько типов таких защитных белков: PR-1, PR-2 (бетта-1,3 глюканазы), PR-3 (хитиназы) PR-4, PR-5 (томатинподобные протеины) и PR-6 (ингибиторы протеаз).
У многих видов растений в ответ на атаку патогена возникает системно индуцированная устойчивость (SAR), главной реакцией при этом является синтез растением салициловой кислоты, которая связывает и ингибирует изозимы каталазы. Среди PR белков, связанных с грибной инфекцией, наиболее изучены хитиназы. Они гидролизуют хитин – основной компонент клеточной оболочки грибов. Созданные трансгенные растения табака с геном хитиназы фасоли под контролем 35S промотора успешно выживали в почве, зараженной патогенным грибом Rhizostonia solani.
Проведена агробактериальная трансформация сортов риса генами cht-2 и cht-З, кодирующими хитиназу риса под 35S промотором. Трансформанты характеризовались высокой устойчивостью к двум наиболее распространенным расам гриба Magnaporthe grisea, одного из самых вредоносных для риса патогенов. Наряду с хитиназой в конструкциях векторов широко используются (бетта-глюканазы для создания патогенустойчивых растений пшеницы, ячменя и др.
В последнее время обнаружен новый класс антимикробных пептидов, названных дефензинами. Дефензины выделены из семян многих видов однодольных и двудольных растений. Они состоят из 45-54 аминокислот и характеризуются значительным консерватизмом последовательностей нуклеотидов. Оказалось, что эти пептиды угнетают рост целого ряда грибов. Сейчас гены этих пептидов клонированы и используются для создания трансгенных растений. Трансформанты табака с геном дефензина редьки под 35S промотором характеризовались высокой устойчивостью против гриба Alternaria longipes. Разрабатывается также метод моделирования системы гиперчувствительности как защитной системы у растений с использованием генетических конструкций, содержащих ген бактериальной РНКазы (барназы) под контролем участка промотора картофельного гена prp I-I, обеспечивающего экспрессию гена в условиях грибного заражения. В случае инфекции индуцируется экспрессия гена и клетка погибает вместе с патогеном. Ведутся работы по поиску других подходов и систем для получения генетически модифицированных растений, способных противостоять грибным инфекциям.
Разработано несколько методов создания растений, устойчивых к вирусам растений. Один из них заключается в контролировании различных антисмысловых конструкций, где к ДНК-содержащая копия вирусной РНК помещается под промотор таким образом, чтобы в результате транскрипции образовалась последовательность РНК, комплементарная вирусной РНК. При заражении вирусом растительной клетки с такой конструкцией образуются дуплексы между вирусной и конститутивно синтезируемой антисмысловой РНК. Эти дуплексы разрушаются специфическими РНКазами, в результате чего вирусы не образуются и соответственно болезнь не развивается. Примером могут быть трансгенные растения табака, несущие антисмысловые конструкции для вируса мозаики огурца и вируса табачной мозаики.
Еще одним методом борьбы с вирусной инфекцией является клонирование и встраивание в геном растений гена синтеза белка оболочки вируса. Активный синтез такого белка, имеющего сродство с РНК вируса, ингибирует репликацию РНК вируса, что приводит к довольно высокой устойчивости растения. В этом случае наблюдается высокая специфичность реакции, т.е. защита достигается только против того вируса, ген белка которого был встроен в геном растения. Этот метод успешно использован для большого числа вирусов различных таксономических групп.
Созданы трансформанты риса с геном, кодирующим белок оболочки вируса Hoja bаnса.
Коммерческий сорт картофеля Бзура был трансформирован вектором, несущим ген оболочки вируса курчавости листьев в смысловой и антисмысловой ориентации. Полученные трансгенные растения проявляли высокую устойчивость к данному вирусу.
Возможную роль в защите растений от вирусной инфекции может играть внедрение генов защиты от вирусной инфекции, которые используются клетками млекопитающих. Так, введение гена бетта-интерферона или гена, кодирующего 2,5А-синтетазу, в клетки растений повышало устойчивость к вирусной инфекции. Разрабатываются подходы, в которых используются гены, кодирующие антивирусные белки растительного происхождения, гены, кодирующие специфические антитела, узнающие вирусные белки.
В последнее время появились работы, в которых приводятся данные о создании трансформантов против вироидов. В частности, получены трансгенные растения картофеля, экспрессирующие ген рибозима hammehead, транскрипты которого расщепляют минус цепь РНК веретеновидного вироида клубней картофеля.
Большой вред виноградникам наносит бактериальный рак, вызываемый Agrobacterium tumefaciens. Пораженные растения снижают качество и количество урожая. Иммунных сортов к бактериальному раку практически нет, а химические и биологические меры борьбы с ним не эффективны.
Однако установлено, что плазмиды IncW и IncQ агробактерий подавляют развитие рака. В вектор под 35S промотором был интегрирован ген ita, выделенный из плазмиды IncQ. Среди трансгенных растений табака и тополя выделены формы с высокой степенью устойчивости к агробактериальной инфекции.
Выявлены гены растений, кодирующие синтез белков и ингибиторов протеаз, широко распространенных в растительном мире, а также ингибиторов ферментов, токсичных для насекомых — холистериноксидаз стрептомицетов и липоксигеназ. Эти вещества оказывают повреждающее действие на кишечник насекомых различных отрядов (Lepidoptera, Coleoptera, Ortoptera). Так, трансформированные растения табака с геном, ингибирующим трипсин, меньше повреждались совкой (Helicoverpa zea) по сравнению с обычными растениями.
В борьбе с сосущими вредителями используют ингибиторы амилаз. Специфическую группу представляют лектины (разрушают эпителий кишечника насекомых), растительные гликопротеины и гены, детерминирующие синтез этих белков. Недостатком этих средств создания устойчивых растений является высокая концентрация веществ, необходимых для проявления активности (3—5% к общей массе белка). Поэтому, несмотря на большое число выявленных генов, для модификации и получения трансгенных растений, устойчивых к вредителям, наиболее широкое распространение получили гены Bacillus thuringiensls, кодирующие синтез белков, токсичных для вредителей.
В настоящее время в Европе создаются команды, включающие генных инженеров и селекционеров, которые предусматривают создание устойчивых сортов зерновых бобовых культур к главным грибным болезням. Ставится задача интродуцировать в растения гены, не вовлеченные в устойчивость к специфической болезни, а играющие ключевую роль в общем защитном механизме растения.
Что касается устойчивости к насекомым и вирусам, то здесь перспективными могут быть также непрямые подходы. Например, создание трансгенных сортов, устойчивых к тле — переносчику вирусных болезней может сразу решать двоякую задачу: придание бобовому растению устойчивости к тле и ряду важных вирусных патогенов. Имеют перспективу исследования с целью экспрессии специфических антител против некоторых патогенов, таких как вирусы и нематоды.
Масштабные и целенаправленные исследования в области транс-генеза зерновых бобовых культур холодного сезона развернуты в Австралии, где бурно растут площади посева люпина узколистного, гороха, нута, чечевицы, кормовых бобов, люпина белого и желтого. Четыре научно-исследовательских учреждения участвуют в этих исследованиях. В генных конструкциях для всех 7 видов зерновых бобовых культур в качестве селективных маркеров используются: ген Ваг, придающий устойчивость к гербициду BASTA (фосфинотрицин) и ген nptII, кодирующий синтез фермента неомицинфосфотрансферазы и придающий устойчивость к антибиотикам канамицину и неомицину. В качестве репортерного гена во всех случаях используется ген GUS.
Читайте также: