Методы селекции

Хромосомная инженерия.

Клеточная селекция.

Более широкое практическое применение в настоящее время получило важнейшее направление современной биотехнологии — клеточная селекция как метод создания новых форм растений путем выделения мутантных клеток и сомаклональных вариаций в селективных условиях.

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.

Достижения в хромосомной и генной инженерии

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 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 - 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 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.

Использование модифицированных растений - За и Против.

Генетически модифицированные растения и экология

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?

Заключение

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.

Список литературы:

1. С.Г. Мамонтов Биология для поступающих в вузы, М. Высшая школа, 1992.

2. Новый справочник школьника. 5-11 класс. Универсальное пособие. Т.2.-СПб.: ИД «ВЕСЬ», 2002 год.

3. Научно-теоретический и методический журнал Министерства образования Российской Федерации. Биология в школе, 1993 год 1 издание.

4. Популярный энциклопедический иллюстрированный словарь - ЕВРОПЕДИЯ. Олма медиагрупп. Олма-пресс 2004.

5. Энциклопедический справочник школьника. Естественные науки. Москва 2002.

6. Р. Ренненберг, И. Ренненберг «От пекарни до биофабрики»

Изд. «Мир» М. 1991

8