В США и Канаде гибридами ГМ рапса заняты большие площади. Такие сорта важны и для Восточной Европы, где использование рапсового масла могло бы оказаться очень перспективным. Добавление всего 1% этого масла к дизельному топливу значительно уменьшает загрязнение окружающей среды соединениями серы, которых особенно много в выхлопах дизельных двигателей. Кроме того, это яркий пример по сути безотходного (индустриального) сельского хозяйства — рапсовое масло используют в промышленности, а жмых идет на корм скоту.
Появилась возможность создавать съедобные сорняки. Биоинженерия меняет не только растения, но и наши представления о них. Возможно, что завтра, вместо того чтобы ломать голову, как избавиться от сорняков, мы будем их есть.
ГМ растения, устойчивые к насекомым-вредителям
В процессе получения ГМО с помощью трансгеноза первостепенное внимание должно быть уделено повышению устойчивости сортов и гибридов к болезням, вредителям и сорнякам. О важности этого направления селекции свидетельствует уже тот факт, что общее число потенциально вредоносных для агроэкосистем видов достигает 80-100 тыс., в том числе свыше 30 тыс. возбудителей грибных, бактериальных и вирусных заболеваний, около 10 тыс. членистоногих и др. Несмотря на увеличение количества применяемых в сельском хозяйстве пестицидов (например, в США — 400 тыс. т в год), к началу XXI столетия потери урожая составляют в среднем 33%. Общая же цена потерь урожая сельскохозяйственных растений в мире, согласно имеющимся оценкам, только от болезней достигает 50 триллионов долларов в год.
Одним из факторов риска в получении высоких и стабильных урожаев является поражение посевов насекомыми. Так, например, ущерб от поражения посевов кукурузы кукурузным мотыльком (Ostrinia nubialis) в США составляет около миллиарда долларов в год. А тысячи тонн инсектицидов, расходуемых ежегодно, естественно, не очень полезны окружающей среде.
Молекулярные биологи сумели обеспечить организмы иммунитетом к их вредителям. Наиболее распространенным приемом создания инсектицидных растении сейчас является введение в их геном гена Сгу- белка (Bt-токсина), естественного инсектицида, вырабатываемого почвенными бактериями Bacillus thuringiensis. Bt-защищенные растения экспрессируют один или несколько Cry-белков для защиты от чешуекрылых и жесткокрылых вредителей.
Почвенная грамположительная бактерия B.thuringiensis продуцирует в процессе спорообразования кристаллические белковые включения. Эти включения состоят из белков, называемых Сгу-белками. Они обладают селективным действием против узких групп насекомых, причем различные классы белков эффективны для применения против разных насекомых-вредителей. Сгу-белки присоединяются к специфическим участкам клеток пищеварительной системы насекомых и образуют ионоселективные каналы в клеточных мембранах. Это приводит к чрезмерному поступлению воды, клетки разбухают, что приводит к их лизису и последующей гибели насекомого.
Важно иметь в виду, что данный белок термонестабилен, т.е. разрушается при термической обработке продукции. Кроме того, он нетоксичен для позвоночных животных. Препараты из бета-эндотоксина используются уже около полувека в качестве инсектицидов для опрыскивания.
В мире известны тысячи штаммов B.thuringiensis с разнообразными генами и широким потенциалом биологически активных белков. В целом эти штаммы представляют богатейший источник структурных компонентов многочисленных будущих препаратов для борьбы с самыми разнообразными вредителями.
Успехи генной инженерии неизмеримо расширили спектр биологических объектов перспективных в качестве доноров генов. Помимо растений, ими могут быть насекомые, грибы, бактерии, вирусы. Отсюда стремление биотехнологических компаний создавать свои частные банки генов. Так, фирма «Бристайл-Майерс» (США) имеет патенты на многие бактериальные культуры, в числе которых образцы из Индии, а также из Филиппин, Фиджи, Бразилии, Перу и др. По нормам промышленного патентования фирма приобретает монопольное право на их использование.
В настоящее время компаниями «Monsanto», «AgrEvo», «Мусоgеn» и «Novartis» созданы другие трансгенные формы, устойчивые к насекомым, так называемые Bt-растения — соя, хлопчатник, кукуруза.
Специалисты полагают, что применение Bt-растений может иметь не только хорошее коммерческое будущее, но и экологический эффект. Известно, что только 5% внесенного инсектицида срабатывает по назначению, остальные 95% попадают в окружающую среду, уничтожая многие виды насекомых, в том числе и полезных. Сокращение же объемов применения инсектицидов приведет к восстановлению популяций многих полезных насекомых, что, несомненно, положительно скажется на многих видах растительного и животного мира.
По данным Kcy, в Китае получены трансгенные растения более 50 видов, которые включают основные злаки (рис, пшеница, кукуруза, сорго), а также хлопчатник, сою, рапс, арахис, овощные культуры (кочанная капуста, цветная капуста, перец), плодовые (яблоня, цитрусовые, киви), древесные (тополь, эвкалипт, шелковица). Более 100 генов, включая маркерные, использовано в этих экспериментах. Трансгенный табак, устойчивый к вирусам, выращивали уже в 1994 г. на площади 36 000 га. Прошли полевые испытания трансгенные растения хлопчатника с генами Bt или ингибитора протеаз, устойчивые к насекомым, служащие исходным материалом для создания устойчивых к насекомым сортов этой культуры для различных районов Китая. Разработанный для хлопчатника в 1983 г. Жоу (Zhou) метод трансформации по следу пыльцевой трубки с успехом использовался для генетической трансформации риса, пшеницы, сои. Наиболее значительным успехом в Китае считается получение пшеницы, устойчивой к вирусам за счет гена белка оболочки, и устойчивого к насекомым хлопчатника с геном эндотоксина Bt.
Белок Bt активен не только против европейского мотылька кукурузы, но также против юго-западного мотылька и кукурузной моли. Ориентировочные потери от этих основных вредителей кукурузы составляют 800-900 млн долл. ежегодно.
Гербицидустойчивые растения
Современное сельскохозяйственное производство невозможно без применения гербицидов. Применяемые ранее гербициды, как селективные, так и тотального действия, считались сравнительно дорогими и оказывали отрицательное воздействие на окружающую среду, накапливаясь в почве, почвенных водах и произрастающих растениях. Синтезированы гербициды нового поколения, которые значительно более эффективны и поэтому применяются в очень низких концентрациях и быстро разрушаются почвенными микроорганизмами. Однако они являются неселективными и ингибируют рост как сорняков, так и всех культурных растений.
Устойчивость растений к гербицидам может возникать различными путями. Она может быть результатом точечных мутаций генов, кодирующих белок-мишень для данного гербицида. Такие мутации описаны по устойчивости к гербицидам, которые действуют на фотосинтез растений и синтез аминокислот. Эти мутации и являются причиной появления на полях устойчивых сорняков, что приводит к необходимости ротации гербицидов через определенное количество лет, когда устойчивые сорняки накапливаются в количествах, могущих снизить эффективность применения данного гербицида.
Придание растениям устойчивости к тем или иным гербицидам осуществляется разными способами, например путем введения генов, кодирующих белки, не чувствительных к данному классу гербицидов (например, к глифосату, хлоре ульфуроновым и имидазолиновым гербицидам) либо обеспечивающих ускоренный метаболизм гербицидов в растениях (например, глюфосината аммония, далапона).
Устойчивость к глюфосинату аммония. Действующее вещество гербицидов, полученных на основе глюфосината аммония, — фосфинотрицин, ингибирующий глутаминсинтетазу растительных клеток, что приводит к быстрому истощению запаса глутамина в растении, накоплению аммиака, отравлению и гибели растения. Ген устойчивости к глюфосинату кодирует синтез фермента фосфинотрицин ацетилтрансферазы. В результате растение, в которое введен этот ген, обладает способностью продуцировать фосфинотрицин ацетилтрансферазу, разрушающую глюфосинат аммония, и устойчиво к действию данного гербицида.
Устойчивость к глифосату. В настоящее время самый широко применяемый гербицид в мире — глифосат, что повлекло за собой создание ГМ растений, обладающих устойчивостью именно к нему. Он относится к неселективным гербицидам. Механизм его действия основан на ингибировании активности фермента, который катализирует ключевую реакцию в синтезе ароматических аминокислот. В трансгенное растение встроен ген, кодирующий синтез этого же фермента, но не чувствительного к действию глифосата. При его воздействии все растения, не имеющие данного гена, погибают, в то время как ГМ культура нормально развивается.
