Генная инженерия растений, ее возможности и ограничивающие факторы

Первостепенной задачей  генетической инженерии для повышения  эффективности биологической фиксации азота является создание штаммов  ризобии с усиленной азотфиксацией  и колонизирующей способностью. Колонизация  бобовых растений ризобиями протекает  очень медленно, лишь единичные из них дают начало клубенькам. Это  происходит потому, что местом инвазии  ризобии является только одна небольшая  область между точкой роста корня  и ближайшим к ней корневым волоском, находящимся на стадии формирования. Все остальные части корня  и развившиеся корневые волоски  растения нечувствительны к колонизации. В ряде случаев сформировавшиеся клубеньки оказываются неспособными фиксировать азот, что зависит  от многих растительных генов (выявлено не менее пяти), в частности от неблагоприятного сочетания двух рецессивных  генов.

Традиционными методами генетики и селекции удалось получить лабораторные штаммы ризобий с более высокой  колонизирующей способностью. Но они  в полевых условиях испытывают конкуренцию  со стороны местных штаммов. Повышение  их конкурентоспособности, видимо, можно  осуществить генноинженерными методами. Повышение эффективности процесса азотфиксации возможно применением  генноинженерных приемов, основанных на увеличении копий гена, усилении транскрипции тех генов, продукты которых  образуют «узкое» место в каскадном  механизме азотфиксации, путем введения более сильных промоторов и т. п. Важно повышение коэффициента полезного действия самой нитро-геназной системы, осуществляющей непосредственное восстановление молекулярного азота  в аммиак.

· Повышение эффективности  фотосинтеза

С4-растения характеризуются  высокими темпами роста и скоростью  фотосинтеза, у них практически  отсутствует видимое фотодыхание. У большинства сельскохозяйственных культур, относящихся к С3-растениям, высокая интенсивность фотодыхания. Фотосинтез и фотодыхание -- тесно  связанные процессы, в основе которых  лежит бифункциональная активность одного и того же ключевого фермента -- рибулозобисфосфат-карбоксилазы (РуБФК). РуБФ-карбоксилаза может присоединять не только С02, но и 02, то есть осуществляет реакции карбоксилирования и  оксигенирования. При оксигенировании  РуБФ образуется фосфогликолат, который  служит основным субстратом фотодыхания -- процесса выброса С02 на свету, в  результате чего теряется часть фотосинтетических  продуктов. Низкое фотодыхание у  С4-растений объясняется не отсутствием  ферментов гликолатного пути, а ограничением оксигеназной реакции, а также реассимиляцией С02 фотодыхания.

Одной из задач, стоящих перед  генетической инженерией, является исследование возможности создания РуБФК с  преобладающей карбоксилазной активностью.

Получение растений с новыми свойствами

В последние годы ученые используют новый подход для получения  трансгенных растений с "antisense RNA" (перевернутой или антисмысловой  РНК), который позволяет управлять  работой интересуемого гена. В  этом случае при конструировании  вектора копию ДНК (к-ДНК) встраиваемого  гена переворачивают на 180°. В результате в трансгенном растении образуется нормальная молекула мРНК и перевернутая, которая в силу комплементарности  нормальной мРНК образует с ней комплекс и закодированный белок не синтезируется.

Такой подход использован  для получения трансгенных растений томатов с улучшенным качеством  плодов. Вектор включал к-ДНК гена PG, контролирующего синтез полигалактуроназы - фермента, участвующего в разрушении пектина, основного компонента межклеточного  пространства растительных тканей. Продукт  гена PG синтезируется в период созревания плодов томатов, а увеличение его  количества приводит к тому, что  томаты становятся более мягкими, что  значительно сокращает срок их хранения. Отключение этого гена в трансгенах позволило получить растения томатов  с новыми свойствами плодов, которые  не только значительно дольше сохранялись, но и сами растения были более устойчивы  к грибным заболеваниям.

Такой же подход можно применить  для регулирования сроков созревания томатов, а в качестве мишени в  этом случае используют ген EFE (ethylene-forming enzyme), продуктом которого является фермент, участвующий в биосинтезе этилена. Этилен - это газообразный гормон, одной  из функций которого является контроль за процессом созревания плодов.

Cтратегия антисмысловых  конструкций широко применима  для модификации экспрессии генов.  Эта стратегия используется не  только для получения растений  с новыми качествами, но и для  фундаментальных исследований в  генетике растений. Следует упомянуть  еще об одном направлении в  генной инженерии растений, которое  до недавнего времени в основном  использовали в фундаментальных  исследованиях - для изучения  роли гормонов в развитии растений. Суть экспериментов заключалась  в получении трансгенных растений  с комбинацией определенных бактериальных  гормональных генов, например  только iaaM или ipt т.д. Эти эксперименты  внесли существенный вклад в  доказательство роли ауксинов  и цитокининов в дифференцировке  растений.

В последние годы этот подход стали использовать в практической селекции. Оказалось, что плоды трансгенных  растений с геном iaaM, находящимся  под промотором гена Def (ген, который  экспрессируется только в плодах), являются партенокарпическими, то есть сформировавшимися без опыления. Партенокарпические плоды характеризуются  либо полным отсутствием семян, либо очень небольшим их количеством, что позволяет решить проблему "лишних косточек", например в арбузе, цитрусовых и т.д. Уже получены трансгенные  растения кабачков, которые в целом  не отличаются от контрольных, но практически  не содержат семян.

Обезоруженную, лишенную онкогенов Ti-плазмиду ученые активно используют для получения мутаций. Этот метод  носит название Т-ДНК-инсерционного  мутагенеза. Т-ДНК, встраиваясь в  геном растения, выключает ген, в  который она встроилась, а по утрате функции можно легко отбирать мутанты (явление сайлесинга - замолкания генов). Этот метод замечателен также  тем, что позволяет сразу обнаружить и клонировать соответствующий ген. В настоящее время таким способом получено множество новых мутаций растений и соответствующие гены клонированы. М. А. Раменской на основе Т-ДНК мутагенеза получены растения томатов с неспецифической устойчивостью к фитофторозу. Не менее интересен и другой аспект работ - получены трансгенные растения с измененными декоративными свойствами.

Один из примеров - это  получение растений петунии с  разноцветными цветками. На очереди  голубые розы с геном, контролирующим синтез голубого пигмента, клонированным  из дельфиниума.

2. ОГРАНИЧИВАЮЩИЕ ФАКТОРЫ

Экологические риски

1. Появление супервредителей

В сущности, такие уже  появились. На Bt-кукурузе и хлопке уже  живет коробочный (хлопковый) червь, которому наиболее ценный природный  пестицид Bacillus thuringensis (Bt) не приносит вреда. Наивно думать, что вредители на ухищрения ученых не ответят своим  контрударом. Как известно, в экстремальных  условиях, а процесс вытеснения вредителей устойчивыми к ним растениями иначе как экстремальным не назовешь, скорость мутаций растет, и неизвестно, сколько понадобится насекомым  времени для того, чтобы приспособиться к новым условиям окружающей среды. И все пойдет по новой, только на более высоком уровне.

2. Нарушение природного  баланса.

Уже доказано, что многие ГМ-растения, такие, как ГМ-табак  или технический рис, применяемый  для производства пластика и лекарственных  веществ, смертельно опасны для живущих  на поле или рядом с ним грызунов. Пока эти растения произрастают лишь на опытных полях, а что произойдет после полного вымирания грызунов в районах их массовых засевов - не берется предсказать никто.

Нечто подобное случилось  с озером Виктория в 60-х годах  прошлого века, когда в него поселили нильского окуня. Попав в благоприятную  среду и обладая несомненным  преимуществом в силе, выносливости и плодовитости, этот водный житель в считанные годы сократил численность  конкурирующих видов в несколько  десятков раз, а более двухсот  видов уничтожил полностью. А  спустя десятилетие выяснилось, что  в результате этого "переселения" в прибрежной зоне исчезли леса, берега были размыты, а эрозия почвы  достигла невиданных доселе размеров.

3. Выход трансгенов из-под  контроля.

На каждую упаковку с семенами генетически модифицированного Bt-хлопка фирмы Monsanto нанесена надпись: "Во Флориде  не сажать к югу от Тампы (60-е шоссе). Не для коммерческого использования  или продажи на Гавайях". Что  заставило руководство этого  биотехнологического гиганта так  ограничить площади посевов своих  культур? Оказывается, на Гавайях весьма распространен дикий родственник  хлопка Gossypium tomentosum, а в Южной Флориде - Gossypium hirsutum. Оба считаются в хлопководстве  сорняками. Если генетически модифицированный хлопок опылит своего родственника-сорняка, то в результате получится устойчивый к действию пестицидов и гербицидов, не боящийся ни жары, ни холода, не угрызаемый жуками и паразитами и страшно плодовитый суперсорняк. Примерно то же может случиться и со многими другими видами культурных растений, таких, как масленичный рапс, картофель, томаты или бобы. У всех них есть и весьма широко распространены дикие сородичи, являющиеся зачастую одними из главных в силу сходства условий жизни сорняками основной культуры. Кстати говоря, даже культурный рапс зачастую является сорняком для других культур, но в силу его изнеженности он считается сорняком малозначительным.

Генетически модифицированный рапс изнеженным назвать нельзя. Вооруженный  мощью современной науки, он даст фору в сто очков по выживанию  любой культуре. И пшеничные поля весьма быстро могут превратиться в  технические рапсовые. Уже были зафиксированы  случаи, когда ГМ-рапс наделил устойчивостью  к гербицидам свою сорную родственницу - дикую горчицу.

Выход один: следует прикрывать прозрачным колпаком всякие посадки  генетически модифицированных растений, чтобы, не дай бог, ни одно семечко, ни одна пылинка не вырвались наружу.

Медицинские риски

1. Повышенная аллергеноопасность

В марте 1996 года ведущий генный инженер, исследователь Университета штата Небраска, подтвердил: при  попытке повысить содержание белка  в ГМ-сое в нее вместе с геном  бразильского ореха был перенесен  аллерген. Причем тестирование животных не выявило опасности. Тестирование ГМ-продуктов на аллергиках не входит в обязательную программу испытаний  новых продуктов, а поэтому то, что аллерген был вовремя замечен, можно назвать счастливой случайностью, иначе жизни тысяч человек, не переносящих орехов, оказались бы в настоящей опасности. По поводу аллергической опасности ГМ-продуктов  известный британский ученый, доктор Мэй Ван Хо, сказал: "Нет никаких  известных способов предсказать  аллергию на ГМ-пищу. Аллергическая  реакция обычно возникает спустя некоторое время после появления  и развития чувствительности к аллергену".

2. Возможная токсичность  и опасность для здоровья.

Британский ученый Арпад  Пуштай, назвавший ГМ-продукты "пищей  для зомби", считает, что они  наносят колоссальный вред здоровью. В 1989 году одна из крупнейших японских химических компаний Showa Denko поставила  на американский рынок новый ГМ-вариант  известной пищевой добавки L-tryptophan. В результате 37 человек погибли, а более 5000 стали инвалидами с  потенциально смертельным диагнозом - синдром эозиафильной миалгии (EMS) (неизлечимое и чрезвычайно болезненное  заболевание крови). Кроме того, хорошо известно, что проявлений токсичного действия белка можно ждать более  тридцати лет, за примером далеко ходить не надо, достаточно вспомнить нашумевшее "коровье бешенство", вызванное  именно белком, прионом. Белки, из которых  состоят ГМ-продукты, принципиально  новые, так как являются гибридами  белков растительного и бактериального происхождения. Спрашивается: достаточно ли для выяснения их безопасности установленных сейчас трехлетних испытаний? Директор Института сельскохозяйственной биологии Владимир Патыка вместе с  коллегами из Всероссийского института  сельскохозяйственной микробиологии (Санкт-Петербург) и чешскими микробиологами после двадцатилетних исследований пришел к выводу, что "при определенных условиях белок-токсин, если его ввести в ГМ-картофель, может выступить весьма сильным канцерогенным фактором".

3. Устойчивость к действиям  антибиотиков.

Для того чтобы понять, "встроился" ли нужный ген в цепочку ДНК, специалисты-генетики снабжают его специальным "флажком". Чаще всего в роли этого "флажка" выступает ген устойчивости к  антибиотикам. Если целевая клетка после "опыления" новым геном  выдерживает действие этого антибиотика, значит, цель достигнута, и ген успешно  внедрен. Проблема состоит в том, что, единожды внедрив этот ген в  ДНК, вывести его уже нельзя. В  результате возникает двойная опасность. Во-первых, употребление в пищу устойчивых к антибиотикам продуктов неизбежно  нейтрализует действие антибиотиков, принимаемых в качестве лекарства. А во-вторых, появление большого количества антибиотикоустойчивых  растений может повлечь за собой  появление антибиотикоустойчивых  бактерий. Нечто подобное уже наблюдалось  несколько лет назад в Дании, когда тысячи людей оказались  жертвами эпидемии сальмонеллеза, вызванной  новым, устойчивым к антибиотикам, штаммом  сальмонеллы.

4. Возникновение новых  и опасных вирусов. 

Экспериментально показано, что встроенные в геном гены вирусов  могут соединяться с генами инфекционных вирусов. Такие новые вирусы могут  быть более агрессивными, чем исходные. Они могут стать также менее  видоспецифичными. Например, вирусы растений могут стать вредными для полезных насекомых, животных, а также людей.