IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

На протяжении всей истории существования земледелия одной из насущных проблем этой отрасли является засорение посевов культурных растений сорняками. В современной России потери урожая от сорняков достигает по некоторым культурам 20 %. Для борьбы с ними широко применяются гербициды. И хотя на смену прежним экологически опасным гербицидам широкого спектра действия, обладающим токсичностью для млекопитающих и длительно сохраняющимся во внешней среде, приходят новые, более совершенные и безопасные соединения, однако и они обладают недостатком — подавляют рост не только сорняков, но и культурных растений.

Эта проблема заключается в огромном увеличение производства продуктов питания, несмотря на то, что за последние 40 лет производство увеличилось в 2.5 раза, все равно этого не достаточно. И в мире в связи с этим наблюдается социальный застой, который становится все более настоятельным.

ТРАНСГЕННЫЕ РАСТЕНИЯ

Трансгенные растения — это те растения, которым «пересажены» гены других организмов.

Картофель, устойчивый к колорадскому жуку, был создан путём введения гена, выделенного из генома почвенной тюрингской бациллы Bacillus thuringiensis, вырабатывающий белок Cry, представляющий собой протоксин, в кишечнике насекомых этот белок растворяется и активируется до истинного токсина, губительно действующего на личинок и имагонасекомых, у человека и других теплокровных животных подобная трансформация протоксина невозможна и соответственно этот белок для человека не токсичен и безопасен. Опрыскивание спорами Bacillus thuringiensis использовалось для защиты растений и до получения первого трансгенного растения, но с низкой эффективностью, продукция эндотоксина внутри тканей растения существенно повысило эффективность защиты, а также повысило экономическую эффективность ввиду того, что растение само начало продуцировать защитный белок. Путём трансформации растения картофеля при помощи Agrobacterium tumefaciens были получены растения, синтезирующие этот белок в мезофилле листа и других тканях растения и соответственно непоражаемые колорадским жуком. Данный подход используется и для создания других сельскохозяйственных растений, резистентных к различным видам насекомых.

Генетические изменнные растения с устойчивостью к различным классам гербицидов в настоящее время являются наиболее успешным биотехнологическим продуктом. Дело в том, что биотехнология позволила совершить такой прыжок, так как оказалось возможным генетически изменять устойчивость растений к тем или иным гербицидам либо путем введения генов, кодирующих белки, нечувствительные к данному классу гербицидов, либо за счет введения генов, обеспечивающих ускоренный метаболизм гербицидов растений.

МЕХАНИЗМ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ К ГЕБИЦИДАМ

Изучение механизма устойчивости к гербицидам с целью получения методами генетической инженерии культурных растений, обладающих этим признаком, включает следующие этапы:

1. Выявление биохимических мишеней действия гербицидов в растительной клетке

2. Отбор устойчивых к данному гербициду организмов в качестве источников генов устойчивости

3. Клонирование этих генов

4. Введение их в культурные растения и изучение их функционирования.

Существуют четыре принципиально различных механизма, которые могут обеспечивать устойчивость к тем или иным химическим соединениям, включая гербициды: транспортный, элиминирующий, регуляционный и контактный.

Транспортный механизм устойчивости заключается в невозможности проникновения гербицида в клетку. При действии элиминирующего механизма устойчивости вещества, попавшие внутрь клетки, могут разрушаться с помощью индуцируемых клеточных факторов, чаще всего деградирующих ферментов, а также подвергаться тому или иному виду модификации, образуя неактивные безвредные для клетки продукты. При регуляционной резистентности белок или фермент клетки, инактивирующийся под действием гербицида, начинает усиленно синтезироваться, ликвидируя таким образом дефицит нужного метаболита в клетке.

Контактный механизм устойчивости обеспечивается изменением структуры мишени (белок или фермент), взаимодействием с которым связано повреждающее действие гербицида.

Установлено, что признак гербицидоустойчивости является моногенным, то есть признак детерминируется чаще всего одним-единственным геном. Это очень облегчает возможность использования технологии рекомбинантной ДНК для передачи этого признака. аддиционные методы селекции создания сортов, устойчивых к гербицидам, очень, длительны и малорезультативны. Наиболее широко применяемый за рубежом гербицид глифосат (коммерческое название Roundup) подавляет синтез важнейших ароматических аминокислот, воздействуя на фермент 5-енолпирувилшикимат-З-фосфатсинтазу (ЕПШФ-синтаза). Известные случаи устойчивости к этому гербициду связаны либо с повышением уровня синтеза этого фермента (регуляционный механизм), либо с возникновением мутантного фермента, нечувствительного к глифосфату (контактный механизм). Из устойчивых к глифосфату растений был выделен ген ЕПШФ-синтазы и поставлен под промотор вируса мозаики цветной капусты. С помощью Ti-плазмиды эта генетическая конструкция была введена в клетки петунии. При наличии одной копии гена в регенерированных из трансформированных клеток растениях синтезировалось фермента в 20 - 40 раз больше, чем в исходных растениях, но устойчивость к глифосфату увеличилась только в 10 раз.

К числу наиболее распространенных гербицидов, используемых при обработке зерновых культур, относится атразин. Он подавляет фотосинтез, связываясь с одним из белков фотосистемы II и прекращая транспорт электронов. Устойчивость к гербициду возникает в результате точечных мутаций в этом пластохинон связывающем белке (замена серина на глицин), вследствие чего он теряет способность взаимодействовать с гербицидом. В ряде случаев удалось осуществить перенос гена мутантного белка в чувствительные к атразину растения с помощью Ti-плазмиды. Интегрированный в хромосому растений ген устойчивости был снабжен сигнальной последовательностью, которая обеспечивала транспорт синтезируемого белка в хлоропласты. Химерные растения проявляли значительную устойчивость к таким концентрациям атразина, которые вызывали гибель контрольных растений с геном белка дикого типа. Некоторые растения способны инактивировать атразин путем отщепления остатка хлора ферментом глутатион-S-трансфераза. Этот же фермент инактивирует и другие родственные гербициды триазинового ряда (пропазин, симазин и др.).

Существуют растения, естественная устойчивость которых к гербицидам основанных на детоксикации. Так, устойчивость растений к хлорсульфурону может быть связана с дезактивацией молекулы гербицида путем его гидроксилирования и последующего гликозилирования введенной гидроксильной группы.

Устойчивость растений к тем или иным патогенам чаще всего является сложным мультигенным признаком.

Одновременная передача нескольких локусов трудна даже методами генной инженерии, не говоря о классических методах селекции. Более простым является другой путь. Известно, что у устойчивых растений при атаке патогенов изменяется метаболизм. Накапливаются такие соединения, как Н2О2, салициловая кислота, фитоаллексины. Повышенный уровень этих соединений способствует противостоянию растения в борьбе с патогенами. Вот один из примеров, доказывающий роль салициловой кислоты в иммунном ответе растений. Трансгенные растения табака, которые содержат бактериальный ген, контролирующий синтез салицилат гидролазы (этот фермент разрушает салициловую кислоту), были неспособны к иммунному ответу. Поэтому изменение генно-инженерным путем уровня салициловой кислоты или выработки в растениях в ответ на патоген Н2О2 может быть перспективным для создания устойчивых трансгенных растений.

В фитовирусологии широко известен феномен индуцированной перекрестной устойчивости растений к вирусным инфекциям. Сущность этого явления состоит в том, что заражение растения одним штаммом вируса предотвращает последующую инфекцию этих растений другим вирусным штаммом. Молекулярный механизм подавления вирусной инфекции пока неясен. Показано, что для иммунизации растений достаточно введения отдельных вирусных генов, например генов капсидных белков. Так, ген белка оболочки вируса табачной мозаики перенесли в клетки табака и получили трансгенные растения, у которых 0,1% всех белков листьев был представлен вирусным белком. Значительная часть этих растений при инфицировании вирусом не проявляла никаких симптомов заболевания. Возможно, что синтезирующийся в клетках белок оболочки вируса мешает вирусной РНК нормально функционировать и формировать полноценные вирусные частицы. Установлено, что экспрессия капсидного белка вируса табачной мозаики, вируса мозаики люцерны, вируса огуречной мозаики, Х-вируса картофеля в соответствующих трансгенных растениях (табак, томаты, картофель, огурцы, перцы) обеспечивает высокий уровень их защиты от последующей вирусной инфекции. Причем у трансформированных растений не отмечалось снижения фертильности, нежелательного изменения ростовых и физиологических характеристик исходных экземпляров и их потомства. Полагают, что индуцированная устойчивость растений к вирусам обусловлена особым антивирусным белком, очень похожим на интерферон животных. Представляется возможным методом генетической инженерии усилить экспрессию гена, кодирующего этот белок, путем его амплификации или подстановки под более сильный промотор.

СОВРЕМЕННЫЕ ТРАНСГЕННЫЕ И ГЕРБИЦИДОУСТОЙЧИВЫЕ РАСТЕНИЯ

Самыми распространенными из трансгенных сельскохозяйственных растений является соя (51 %), за ней следуют быстро набирающая объемы культивирования кукуруза (31 %), хлопок (13 %) и рапс (5 %). Необходимо отметить, что некоторые генно-модифицированные культуры (например, ГМ-соя) уже обогнали по захваченной площади свои «традиционные» аналоги. Рис. 2.16. Рост общих площадей под посевами биотехнологических культур в 1996-2007 гг. (по данным ISAAA). В 2007 г. по сравнению с 2006 г. произошло увеличение площадей на 12 % или 12,3 млн га (разрешено к публикации www.isaaa.com) По рейтингу свойств коммерциализированных трансгенных растений, составленному Международной службой по использованию агробиотехнологии (ISAAA), на протяжении всего периода культивирования с 1996 по 2007 гг. первое место занимают гербицидоустойчивые культуры, затем следуют Bt-культуры, устойчивые к насекомым-вредителям, за ними - комбинированные культуры (оба этих признака), в последние годы появились культуры, совмещающие три признака. В 2007 г. все устойчивые к гербицидам культуры (соя, кукуруза, рапс, хлопок, люцерна и др.) суммарно занимали 63 %; Bt-культуры -18 %; комбинированные культуры с двумя или тремя признаками -19 %. В 2007 г. по сравнению с 2006 г. быстрее всего увеличивались площади посевов комбинированных культур (с двумя и тремя признаками) - на 66 %; затем идут Bt-культуры - 7 % роста и устойчивые к гербицидам культуры - 3 % роста. Начинает увеличиваться доля культивируемых трансгенных растений, устойчивых к вирусам, грибкам, нематодам и другим вредителям, холоду, жаре, засухе или долго не портящихся при хранении. Новые сорта способны не только расти, но и приносить хороший урожай там, где старые сорта просто не могли выжить (слишком холодно или тепло, или сухо).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Численность населения планеты составляет 7,3 млрд (на 2016 г.), в год увеличиваясь примерно на 80 млн. По прогнозам ООН, к 2020 г. Население Земли к 2050 г. превысит 9 млрд чел. Уже сейчас продовольствия не хватает (около 800 млн чел. в мире голодают), а в дальнейшем эта проблема только обострится, так как увеличение производства продуктов питания стало отставать от прироста населения. Все возможные территории для землепользования уже освоены, традиционные способы повышения продуктивности сельскохозяйственного производства себя уже исчерпали, а дефицит продовольствия продолжает нарастать. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Биотехнология [Электронный ресурс]: Раздел «Генная инженерия». - Электр. дан. – С-П.: [1995-2010]

2. Википедия. Свободная эциклопедия [Электронный ресурс]: Wikipedia® — зарегистрированная торговая марка Wikimedia Foundation, Inc., некоммерческой организации – Электр. дан. – М.: [2012]

3. Эрнст Л. К. Современное состояние и перспективы использования трансгенных технологий в животноводстве. – М.: РАСХН, 2002. Зиновьева Н. А.

4. Трансгенные животные и возможности их использования. – Б. м., 2001. Власова З.А. Справочник по биологии. – М., 1998.

7

Код для цитирования: Скопировать