В этих целях нами совместно с учеными ведущих вузов, НИИ РАСХН и РАН разработан Инновационный проект по биотехнологии в агропромышленном производстве на 2004-2007гг. Этот проект предлагается как межведомственный, финансируемый Минпромнауки РФ и Минсельхозом РФ. Он отражает назревшие экономические и технологические проблемы сельского хозяйства и реальные научные возможности биотехнологии и биоинженерии.
Центральное место в предлагаемом Правительству Российской Федерации Инновационном проекте отводится созданию комплексно устойчивых трансгенных линий, сортов и гибридов сельскохозяйственных растений, линий животных и птицы, штаммов микроорганизмов. Решение этой задачи генноинженерными методами может существенно изменить в лучшую сторону экономическую и экологическую ситуацию в агропромышленном производстве и в стране в целом. Эпифитотии опасных болезней и массовое распространение вредителей почти ежегодно накрывают большие регионы страны и уничтожают свыше 30% валовой продукции растениеводства и животноводства. Одними традиционными методами селекции и племенного дела невозможно добиться коренного перелома в потере такого объема продовольствия от вредных организмов и абиотических стрессовых факторов окружающей среды. Расширение химического метода борьбы может привести к увеличению пестицидной нагрузки на человека и окружающую среду до опасной черты и катастрофических последствий.
В качестве основных объектов в генноинженерной части Инновационного проекта нами взяты экономически наиболее важные для страны культуры: пшеница, ячмень, сахарная свекла, подсолнечник, картофель, кукуруза, основные овощные культуры (томат, огурец, капуста), лекарственные растения.
Главным препятствием в решении этой стратегической задачи является отсутствие национального банка эффективных генов, детерминирующих высокую комплексную устойчивость растений к эпифитотийным патогенам и важнейшим абиотическим стрессам - засухе, переувлажнению, низким и высоким температурам, избыточным засолению и кислотности почв. Такой банк генов в России необходимо создать. Международный обмен эффективными генами, как правило, ведет к потере патентоспособности созданных ГМО.
Вторым узким местом в генноинженерных исследованиях является недостаток, а чаще отсутствие новейших приборов и оборудования. Поэтому в Инновационном проекте предусмотрено создание научных центров коллективного пользования такими приборами и оборудованием, прежде всего по растениеводству - в Тимирязевском биотехнологическом центре и по животноводству - в Животноводческом биотехнологическом центре (ВИЖ п. Дубровицы Московской области).
Основную нагрузку в развитии теории и практики трансгеноза организмов выполняют и будут выполнять Центр биоинженерии РАН (директор - академик РАСХН К.Г.Скрябин), Московская сельскохозяйственная академия им. К.А. Тимирязева - Тимирязевский биотехцентр (академик РАСХН В.С.Шевелуха), лаборатория генной инженерии растений Пущинского филиала ИБОХ (профессор Я.И.Бурьянов), ВИЖ (вице-президент, академик РАСХН Л.К.Эрнст), Институт общей генетики РАН (директор - академик Ю.П.Алтухов), Институт цитологии и генетики СО РАН (академик В.К.Шумный), ВИР (академик РАСХН В.А.Драгавцев), ВНИИСХБ (директор - профессор П.Н.Харченко), ВНИИ фитопатологии РАСХН (профессор С.С.Санин), ВНИИ биологических методов защиты растений (директор - профессор В.Д.Надыкта), Кубанский ГАУ (ректор - академик РАСХН И.Т.Трубилин), НИИСХ Юго-Востока (директор - профессор Н.С.Васильчук), ВНИИСХМ (директор - академик РАСХН И.А.Тихонович), ВНИИМК (директор - д.с.-х.н. В.М. Лукомец), ВИП (директор - д.с.-х.н. Н.П. Таволжанский). Будут выполняться совместные исследования с учеными фирмы "Монсанто" (США), Биотехнологическим центром Пекинской сельскохозяйственной академии (Президент ПАН Ли Юньфу), Уханьским аграрным университетом (профессор Чен), Вангинским сельскохозяйственным центром.
В целях создания эффективных трансгенных технологий нам необходимо сделать новый крупный шаг в развитии теории иммунитета растений и животных, быстрее переходить от общих представлений о сопряженной эволюции организма-хозяина и паразита, от морфофизиологических и биохимических представлений об иммунитете и расовом составе патогенов к идентификации конкретных генов устойчивости и их использованию в трансгенетике. Без точного определения структуры генома, выявления типа и механизмов генетической детерминации устойчивости (моногенной или полигенной ее природы) проблема генетической надежности сортовых ресурсов растений и породных линий скота не может быть успешно решена.
Без успешного решения указанной задачи на огромных территориях России по-прежнему будут возникать эпифитотии, нанося огромный урон сельскому хозяйству и продовольственному цеху страны. Фузариоз и септориоз зерновых, фитофтороз картофеля и томата, фомопсис и склеротиния подсолнечника, переноспороз луковичных, бактериозы капустных растений, ржавчины антракнозы и самое опасное для сельского хозяйства явление - засуха все в больших масштабах будут наносить урон сельскохозяйственному производству.
Поэтому трансгенные растения в мире уже сегодня занимают площади около 60 млн гектаров пашни, главным образом в США, Аргентине. Канаде, Индии и Китае. Эти площади заняты пятью видами трансгенных сельскохозяйственных растений: соей, кукурузой, сахарной свеклой, картофелем, рапсом и томатом. 3/4 таких посевов составляют гербицидоустойчивые трансгенные растения и 25% - Bt-трансгены, устойчивые к насекомым. В России пока нет ни одного гектара посевов трансгенных растений, однако именно в Россию перемещается центр противостояния работам по биотехнологии и биоинженерии.
Создание трансгенных растений в ближайшее время будет осуществляться в основном двумя путями: 1) путем ускоренной идентификации природных генов устойчивости в растениях-донорах; 2) синтезом искусственных генов на основе секвенирования токсинов белковой и иной природы и использования системы вырожденных кодов нуклеотидной последовательности в генах.
Мы считаем, что трансгенные технологии не заменяют традиционные технологии селекции растений, животных и микроорганизмов, а лишь дополняют их, позволяя сократить срок создания новых форм организмов с повышенной и высокой устойчивостью в 2-3 раза, ограничить или полностью исключить отрицательные последствия отдаленной гибридизации за счет сцепления эффективных генов с генами отрицательных признаков и таким образом добиться высокой экспрессии эффективных генов.
В этой связи очень важно иметь ввиду еще два обстоятельства:
1 - возрастание роли ВИРа как центра мировых растительных ресурсов и необходимость расширения работ в нем по идентификации доноров устойчивости, необходимость создания в ВИРе мировой коллекции трансгенных культурных растений, ведения их каталога и организации эффективного использования этих образцов в селекционных центрах страны;
2 - при идентификации и создании банков генов устойчивости растений, животных и микроорганизмов необходимо иметь в виду, что при поиске таких генов не следует замыкаться рамками гомологических рядов, что они могут находиться в геномах, эволюционно отдаленных во времени, пространстве и эволюционном ряду родов, видов, подвидов, биотипов и форм организмов. Из петунии, например, получен ген устойчивости пшеницы к фузариозу колоса, из арабидопсиса - ген устойчивости картофеля к фитофторе, из Bacillus thuringiensis - ген устойчивости его к колорадскому жуку, кукурузы к корневому жуку, из медузы - ген устойчивости растений к пониженным температурам.
Вполне возможно, что при использовании эволюционно отдаленных и особенно синтетических генов возрастет опасность отрицательных генетических последствий. Поэтому в Инновационном проекте и других исследованиях подобного рода необходимо предусмотреть разработку дополнительных методов многоуровневых исследований и контроля по своевременному выявлению возможных отрицательных последствий трансгеноза и исключению ГМО из их дальнейшего продвижения и использования.
Большая роль в Инновационном проекте отводится клеточной инженерии растений и ее двум коренным проблемам - тотипотентности и регенерационного потенциала клетки. Исследования нашей кафедры и отдела, проводимые в настоящее время с подсолнечником и пшеницей, показали, что у так называемых "трудных" для биоинженерных работ культур, какими являются роды Triticum и Helianthus, сильно выражена зависимость указанных выше показателей от генотипа, состава и концентрации ингредиентов селективной среды. И тотипотентность, и регенерационный потенциал клеток четко детерминированы генетически рядом физических и морфофизиологических факторов, в связи с чем требуется постановка масштабных и углубленных исследований для успешного разрешения этой проблемы. Во многих случаях трансгенные клетки и ткани генотипов-"упрямцев" не дают полноценных регенерантов и не позволяют получать конечный целевой продукт - трансгенные растения. В наших экспериментах установлено, что происхождение эксплантов, их размер и возраст, число пассажей, и, самое главное, природа генотипа оказывают большое влияние на масштабы и темпы реализации регенерационного потенциала биологических объектов, и в конечном итоге - на эффективность клеточной селекции. При оптимизации перечисленных показателей и условий регенерации в крупномасштабных многолетних исследованиях сотрудников кафедры и отдела сельскохозяйственной биотехнологии МСХА (Е.А.Калашникова и др.) получены регенеранты пшеницы, картофеля и моркови с повышенной (на 15-50% по сравнению с контролем) устойчивостью к опасным грибным болезням - септориозу, ризоктонии и альтернариозу. Дальнейшие исследования по клеточной селекции растений в МСХА и других учебных заведениях и научных учреждениях страны в рамках инновационного проекта и за его пределами позволят создать новые формы других экономически важных для продовольственного цеха страны растений с повышенной и высокой устойчивостью к стрессовым факторам среды. Это направление биотехнологии в АПК позволит значительно обогатить сортовые ресурсы в сельском хозяйстве страны новыми сортами и гибридами растений и на этой основе поднять устойчивость и эффективность производства, качество сельскохозяйственной продукции.