Валерий Глазко - Кризис аграрной цивилизации и генетически модифицированные организмы
Устойчивость к гербицидам может быть связана также с амплификацией генов устойчивости. Отселектирована клеточная линия табака, устойчивая к сульфонилмочевинным и имидазолиноновым гербицидам. Фермент-мишень ацетогидоксикислая синтаза этой линии была в 50-780 раз менее чувствительна к гербицидам, чем фермент дикого типа. С помощью гибридизации по Саузерну установлено, что амплификация одного из генов, кодирующих мутантный фермент, достигала примерно 20 копий.
Определена природа устойчивости мутантного фермента, связанная с заменой пролина в 196 положении на серии.
Фермент ацетолактатсинтаза (ALS) является мишенью для ряда гербицидов: сульфонилмочевин, имидазолинонов и триазолпиримидинов. Проведено клонирование гена ALS, его мутагенез in vivo и in vitro и трансформация гербицидустойчивого гена в растения рапса с помощью агробактерии. Отбор по устойчивости к канамицину и непосредственно по устойчивости к хлорсульфурону привел к появлению гербицидустойчивых растений.
Проведены полевые испытания трансгенных линий табака по чувствительности к сульфонилмочевинным гербицидам. В отсутствии обработки гербицидами обе трансгенные линии уступали контролю по урожаю.
При трансфекции протопластов табака геномной ДНК мутанта арабидопсиса, устойчивого к хлорсульфурону, толерантные каллусные линии получены с частотой 4,7x10"*.
Глифосат является активным ингредиентом неселективного гербицида Раундап. Он ингибирует синтез ароматических аминокислот (фенилаланин, тирозин, триптофан) у бактерий и растений, а аrоА ген кодирует фермент-мишень EPSP синтазу (З-энолпирувилшикимат-5-фосфат синтазу), на которую действует глифосат.
Доказательством подобной функции было клонирование аrоА гена Escherichia coli — при его введении в мультиколийные плазмиды наблюдалась 5-17 кратная суперпродукция EPSP синтазы и, как следствие, 8 кратное повышение устойчивости к глифосату. Из кишечной палочки клонирован ген, введение которого в табак привело к получению устойчивых к глифосату растений.
При получении трансгенных растений петунии (Petunia hybrida) с высоким уровнем экспрессии аrоА гена они были устойчивыми к глифосату. Линия сои с агробактериальным геном, слабо чувствительным к глифосату, была очень устойчива к гербициду в полевых условиях, перенося обработку до 1,68 кг/га глифосата без видимых повреждений.
Клонирован также ген фермента глифосатоксидоредуктазы, превращающий глифосат в нетоксичное соединение — аминометилфосфоновую кислоту.
Комбинация двух генов СР4 и GOX использовалась фирмой Монсанто в качестве селектируемых генов при трансформации кукурузы и некоторых двудольных. При микробомбардировке незрелых зародышей микрочастицами вольфрама, покрытыми ДНК плазмиды, несущей СР4 и GOX гены, получены трансгенные растения пшеницы, устойчивые к коммерческим концентрациям глифосата.
В настоящее время изучен ряд штаммов стрептомицетов, которые в качестве вторичного метаболита продуцируют антибиотик биалафос. Биалафос (фосфинотрицин) был впервые выделен в культуре бактерий Streptomyces viridochromogenes в 1972 г. Он представляет собой трипептид и состоит из фосфинотрицина и двух остатков аланина. Биалафос был выделен также из одного штамма Streptomyces hygroscopicus.
Гербицид биалафос (фосфинотрицин) ингибирует глютаминсинтетазу. Ваr ген кодирует фермент, который ацетилирует гербицид, превращая его в нетоксичное соединение. Трансгенные растений с bar-геном приобретают устойчивость к данному гербициду.
Трансгенные растения, устойчивые к гербицидам, используют все шире. Добавление всего одного гена приводит к тому, что растения приобретают устойчивость к гербициду, и обрабатывать посевы становится неизмеримо легче. Нелишне подчеркнуть, что речь идет об «экологически щадящих» гербицидах. Современное сельское хозяйство нельзя себе представить без гербицидов, поэтому ставка должна делаться на те из них, которые быстро разлагаются микроорганизмами в почве. К примеру, разработанный компанией «Монсанто» популярный гербицид «Раундап» примерно через неделю после опрыскивания полностью разлагается микроорганизмами в почве. Важно и то, что при этом удается избежать излишней вспашки, сохраняя структуру почвы и защищая ее от эрозии.
В создании растений, устойчивых к гербицидам, сейчас используют два основных принципа, через которые обеспечивается реализация задачи.
Гиперэкспрессия — значительное повышение синтеза продукта, против которого направлено действие гербицида. В этом случае при использовании гербицида в дозах, летальных для других растений, в ГМ растениях будет ингибирована только часть данного продукта. Оставшегося количества будет достаточно для поддержки функций организма. Поэтому гербицид не окажет на растение летального действия. Примером реализации такого подхода явилась работа (Lermontova, Grimm, 2000) по созданию растений табака, устойчивых к ацифлуорифену. Данный гербицид ингибирует фермент протопорфириноген IX оксидазу (РРОХ), участвующий в синтезе хлорофилла. Авторами было идентифицировано у табака два гена: один — РРОХ-1, кодирующий хлоропластный фермент, и РРОХ-2, кодирующий митохондриальный фермент. После этого растения табака были модифицированы генно-инженерной конструкцией, содержащей ген РРОХ-1, что обеспечивало высокий уровень его синтеза в молодых листьях. В результате трансгенные растения имели повышенный уровень содержания данного фермента, который коррелировал с их повышенной устойчивостью к ацифлуорифену.
Другим путем создания устойчивых к гербициду растений является поиск генов, которые не ингибируются данным гербицидом, и последующее внедрение их в геном культурных растений. В этом случае культура не будет реагировать на использование гербицида вообще, в то время как сорняки будут погибать. Примером данного подхода может служить трансформация путем гомологичной рекомбинации в геном пластид табака гена петунии, обеспечивающего устойчивость к глифосату (Daniell et al. 1998).
Специфической проблемой создания и использования генетически модифицированных культур, устойчивых к гербицидам, является предотвращение возможности переноса генов устойчивости к сорным растениям путем переопыления с дикими родственниками. Интересный подход в решении этой проблемы — использование техник, позволяющих целенаправленно встраивать генно-инженерные конструкции в ДНК цитоплазм этических органелл (митохондрий и пластид). Гены цитоплазматических органелл наследуются нехромосомно по материнской линии. Поэтому они не могут быть переданы с пыльцой диким родственникам, с которыми способна скрещиваться данная культура. Об успешном эксперименте в этом направлении сообщено Daniell et al. (1998).
Здесь была успешно проведена встройка путем гомологичной рекомбинации гена EPSPS петунии, который обеспечивает устойчивость к глифосату, в пластиды табака. ГМ растения окэззлись устойчивыми к гербициду, в то время как контрольные погибли в течение двух недель после обработки.
Площади возделывания ГМ растений, одновременно устойчивых к гербицидам и насекомым, увеличились с 0,1% в 1997 г. до 1% в 1998 г.
Примерами этой группы могут быть кукуруза и хлопчатник, устойчивые к Раундапу и одновременно устойчивые к кукурузному мотыльку и хлопковой совке соответственно.
ГМ растения, устойчивые к болезням
Современная селекция выступает в качестве синтетической дисциплины, широко использующей достижения генетики, ДНК-технологии, физиологии, биохимии, почвоведения, микробиологии, цитогенетики, экологии и других наук, в том числе и агроэкологического районирования и конструирования агроэкосистем. В этой связи большие перспективы представляет сочетание методов традиционной селекции и трансгеноза при создании сортов с вертикальной устойчивостью, а также многолинейных и синтетических сортов. Связано это с тем, что методы генной инженерии позволяют встраивать в растение-реципиент сразу несколько разных генов устойчивости, создавая таким образом «пирамиду генов», обеспечивающую комплексную резистентность сорта.
Задача повышения устойчивости культурных растений к стрессовым температурам, воздушной и почвенной засухе, кислым и засоленным почвам, вредителям и болезням стала особенно острой в России и в Украине в настоящее время, в условиях резкого падения общей культуры земледелия, а также в результате снижения количества используемых минеральных макро- и микроудобрений, мелиорантов (извести, гипса и др.) и пестицидов. Однако главное — резкое обострения фитосанитарной ситуации, стремительное распространение таких патогенов, как септориоз, снежная плесень, антракноз, фузариоз колоса, фомопсис, массовые поражения зерновых клопом-черепашкой, саранчой и т.д. В этой ситуации возможны два пути: поиск и создание доноров генов множественной устойчивости и разработка принципиально новых приемов управления генотипической изменчивостью культивируемых растений, в том числе и генетически модифицированных, т.е. методов создания сортов с большей а геоэкологической направленностью — «адресностью», в том числе с повышенными продуктивными, средообразующими и ресурсовоспроизводящими возможностями. Главным приоритетом селекции становится обеспечение устойчивого роста величины и качества урожая в неблагоприятных и экстремальных по почвенно-климатическим условиям зонах. Для каждого сельскохозяйственного региона, района и даже местности предстоит подобрать сочетание культур — «взаимострахователей» и создать соответствующие сорта или соответствующие гибриды. Особое место должна занимать селекция на скороспелость и слабую фотопериодическую реакцию растений. Эффект может достигаться за счет несовпадения во времени и пространстве «критических» периодов онтогенеза растений с действием лимитирующих факторов внешней среды.
