Последнее десятилетие ученые строят неутешительные прогнозы относительно быстрорастущего потребления сельскохозяйственных продуктов на фоне снижения площади посевных земель. Решение данной проблемы возможно с помощью технологий получения трансгенных растений, направленных на эффективную защиту сельскохозяйственных культур и увеличение урожайности.
Получение трансгенных растений является на данный момент одной из перспективных и наиболее развивающихся направлений агропроизводства. Существуют проблемы, которые не могут быть решены такими традиционными направлениями как селекция, кроме того, что на подобные разработки требуются годы, а иногда и десятилетия. Создание трансгенных растений, обладающих нужными свойствами, требует гораздо меньшего времени и позволяет получать растения с заданными хозяйственно ценными признаками, а также обладающих свойствами, не имеющими аналогов в природе. Примером последнего могут служить полученные методами генной инженерии сорта растений, обладающих повышенной устойчивостью к засухе.
Создание трансгенных растений в настоящее время развиваются по следующим направлениям:
1. Получение сортов сельскохозяйственных культур с более высокой урожайностью.
2. Получение сельскохозяйственных культур, дающих несколько урожаев в год (например, в России существуют ремонтантные сорта клубники, дающие два урожая за лето).
3. Создание сортов сельскохозяйственных культур, токсичных для некоторых видов вредителей (например, в России ведутся разработки, направленные на получение сортов картофеля, листья которого являются остро токсичными для колорадского жука и его личинок).
4. Создание сортов сельскохозяйственных культур, устойчивых к неблагоприятным климатическим условиям (например, были получены устойчивые к засухе трансгенные растения, имеющие в своем геноме ген скорпиона).
5. Создание сортов растений, способных синтезировать некоторые белки животного происхождения (например, в Китае получен сорт табака, синтезирующий лактоферрин человека).
Таким образом, создание трансгенных растений позволяет решить целый комплекс проблем, как агротехнических и продовольственных, так и технологических, фармакологических и т.д. Кроме того, уходят в небытие пестициды и другие виды ядохимикатов, которые нарушали естественный баланс в локальных экосистемах и наносили невосполнимый ущерб окружающей среде.
Для чего это делается?
Растения с «чужими» генами приобретают устойчивость к гербицидам, вредителям и патагенам, их плоды способны долго храниться при комнатной температуре, имеют повышенную питательную ценность или другой вкус, и, наконец, способны синтезировать новые вещества – начиная от лекарств и заканчивая пластиком.
Направленной генетической модификации (трансформации) можно подвергать не только растения, а любые живые организмы. Первые трансгенные организмы были получены в начале 70-х, а первые трансгенные растения и животные появились значительно позже. Трансгенные микроорганизмы, к примеру, широко используются в фармацевтической и пищевой промышленности. Такие препараты, как инсулин, интерферон, в основном получаются генно-инженерным способом. Сегодня с применением методов генной инженерии выпускается около 25процентов всех лекарств в мире.
Трансгенные животные чаще всего используются в качестве биореакторов-продуцентов или ферментов для пищевой промышленности. Например, в России выведена порода овец, вырабатывающих вместе с молоком и фермент, необходимый для производства сыра. Поэтому объем производство сыра из козьего молока значительно возрос.
С появлением технологии генетической трансформации стало возможным встраивать в растения гены, которые делают их нечувствительными к определенным гербицидам. Таким образом, после обработки гербицидами сорняки гибнут, а трансгенные культуры нет.
В 2002 году 75процентов всех выращиваемых трансгенных растений содержало ген устойчивости к гербицидам, 17процентов - ген устойчивости к вредителям и почти 8процентов - по два гена устойчивости.
Если в 90-е годы в основном работали над растениями, обладающими полезными свойствами для их выращивания – именно они сейчас и возделывается на полях, то в настоящее время основной упор делается на улучшение потребительских свойств.
Генная инженерия растений развивается очень быстрыми темпами. К настоящему времени в мире изданы и доведены до испытаний в полевых условиях генетически модифицированные формы сельскохозяйственных растений, относящихся более чем к 50 видам.
Среди основных трансгенных культур можно выделить сою, занимающую 62процентов от всей площади возделывания, кукурузу – 21процентов, хлопок – 12процентов, рапс – 5процентов.
В основном выращивают шесть генетически измененных культур – сою, кукурузу, хлопчатник, озимый рапс, кабачок, папайю. Большие надежды возлагают на рис и пшеницу.
Сегодня для переработки и потребления в пищу без ограничений разрешены продукты из сои, сахарной свеклы и кукурузы, картофель, устойчивый к колорадскому жуку и др.
Потенциальную опасность трансгенных организмов связывают с отрицательными последствиями:
· вытеснением природных организмов из их экологических ниш с последующим нарушением экологического равновесия;
· уменьшение биоразнообразия;
· бесконтрольный перенос чужеродных генов с трансгенных организмов в природные.
· к нарушению обмена веществ и возникновению онкологических заболеваний
· вызывание аллергии
2.Методы создания трансгенных продуктов.
Создать геноизмененное растение на данном этапе развития науки для генных инженеров не составляет большого труда.
Существует несколько достаточно широко распространенных методов для внедрения чужеродной ДНК в геном растения.
Метод 1:
Существует бактерия Agrobacterium tumefaciens (Лат.- полевая бактерия, вызывающая опухоли), которая обладает способностью встраивать участки своей ДНК в растения, после чего пораженные клетки растения начинают очень быстро делиться и образуется опухоль. Сначала ученые получили штамм этой бактерии, не вызывающий опухолей, но не лишенный возможности вносить свою ДНК в клетку. В дальнейшем нужный ген сначала клонировали в Agrobacterium tumefaciens и затем заражали уже этой бактерией растение. После чего инфецированые клетки растения приобретали нужные свойства, а вырастить целое растение из одной его клетки сейчас не проблема.
Метод 2:
Клетки, предварительно обработанные специальными реагентами, разрушающими толстую клеточную оболочку, помещают в раствор, содержащий ДНК и вещества, способствующие ее проникновению в клетку. После чего выращивали из одной клетки целое растение.
Метод 3:
Существует метод бомбардировки растительных клеток специальными, очень маленькими вольфрамовыми пулями, содержащими ДНК. С некоторой вероятностью такая пуля может правильно передать генетический материал клетке и так растение получает новые свойства. А сама пуля ввиду ее микроскопических размеров не мешает нормальному развитию клетки.
Итак, задача, которую надо решить при создании трансгенного растения – организма с такими генами, которые ему от природы "не положены", – это выделить нужный ген из чужой ДНК и встроить его в молекулу ДНК данного растения. Процесс этот весьма сложен.
Более четверти века назад были открыты ферменты рестриктазы, разделяющие длинную молекулу ДНК на отдельные участки – гены, причем эти кусочки приобретают "липкие" концы, позволяющие им встраиваться в разрезанную такими же рестриктазами чужую ДНК.
Самый распространенный способ внедрения чужих генов в наследственный аппарат растений – с помощью болезнетворной для растений бактерии Agrobacterium tumefaciens. Эта бактерия умеет встраивать в хромосомы заражаемого растения часть своей ДНК, которая заставляет растение усилить производство гормонов, и в результате некоторые клетки бурно делятся, возникает опухоль. В опухоли бактерия находит для себя отличную питательную среду и размножается. Для генной инженерии специально выведен штамм агробактерии, лишенный способности вызывать опухоли, но сохранивший возможность вносить свою ДНК в растительную клетку.
Нужный ген "вклеивают" с помощью рестриктаз в кольцевую молекулу ДНК бактерии, так называемую плазмиду. Эта же плазмида несет ген устойчивости к антибиотику. Лишь очень небольшая доля таких операций оказывается успешной. Те бактериальные клетки, которые примут в свой генетический аппарат "прооперированные" плазмиды, получат кроме нового полезного гена устойчивость к антибиотику. Их легко будет выявить, полив культуру бактерий антибиотиком, – все прочие клетки погибнут, а удачно получившие нужную плазмиду размножатся. Теперь этими бактериями заражают клетки, взятые, например, из листа растения. Опять приходится провести отбор на устойчивость к антибиотику: выживут лишь те клетки, которые приобрели эту устойчивость от плазмид агробактерии, а значит, получили и нужный нам ген. Дальнейшее – дело техники. Ботаники уже давно умеют вырастить целое растение из практически любой его клетки.
Однако этот метод "работает" не на всех растениях: агробактерия, например, не заражает такие важные пищевые растения, как рис, пшеница, кукуруза. Поэтому разработаны другие способы. Например, можно ферментами растворить толстую клеточную оболочку растительной клетки, мешающую прямому проникновению чужой ДНК, и поместить такие очищенные клетки в раствор, содержащий ДНК и какое-либо химическое вещество, способствующее ее проникновению в клетку (чаще всего применяется полиэтиленгликоль). Иногда в мембране клеток проделывают микроотверстия короткими импульсами высокого напряжения, а через отверстия в клетку могут пройти отрезки ДНК. Иногда применяют даже впрыскивание ДНК в клетку микрошприцем под контролем микроскопа. Несколько лет назад было предложено покрывать ДНК сверхмалые металлические "пули", например шарики из вольфрама диаметром 1-2 микрона, и "стрелять" ими в растительные клетки. Проделываемые в стенке клетки отверстия быстро заживляются, а застрявшие в протоплазме "пули" так малы, что не мешают клетке функционировать. Часть "залпа" приносит успех: некоторые "пули" внедряют свою ДНК в нужное место. Дальше из клеток, воспринявших нужный ген, выращивают целые растения, которые затем размножаются обычным способом.