Экологические проблемы, связанные с использованием трансгенных растений.

Сегодня в число трансгенных (генетически модифицированных) растений (ГМР) уже входят две сотни полевых, пастбищных, овощных, древес­ных, декоративных и лекарственных культур. Для генной инженерии не сущест­вует препятствий, которые ограничивают перенос генов при традиционной се­лекции, основанной на половой гибридизации: источником новых генов могут быть любые организмы - животные, растения или микробы. Более того, генные инженеры могут так изменить строение этих генов, приспособив их к организму новою хозяина, чтобы заставить работать продуктивнее или в строго определен­ный период развития растения.

Сегодня генная инженерия сельскохозяйственных растений развивается, главным образом, в русле классической селекции. Основные усилия ученых со­средоточены на защите растений от неблагоприятных (биотических и абиотиче­ских) факторов, снижении потерь при хранении и улучшении качества продукции растениеводства. В частности, это повышение устойчивости к болезням и вреди­телям, заморозкам или засолению почвы, удаление нежелательных компонентов из растительного масла, изменение свойств белка и крахмала в пшеничной муке, улучшение лёжкости и вкуса плодов томата и т.д.

Генетическая модификация.Селекционеров привлекает возможность це­ленаправленного генетического преобразования сельскохозяйственных растений. Так, сорт, хорошо зарекомендовавший себя по большинству хозяйственных ха­рактеристик, можно дополнить одним недостающим признаком, например, ус­тойчивости к конкретной болезни.

Кроме того, благодаря генетической модификации растения могут выпол­нять ранее несвойственную им роль. Они становятся «фабрикой» лекарственных веществ и пищевых добавок или инструментом для «мягкого» введения лекарств, вакцин и необходимых пищевых добавок. Это, например, корнеплоды сахарной свеклы, накапливающие вместо сахарозы низкомолекулярные фруктаны, или ба­наны, используемые в качестве съедобной вакцины. Благодаря введению генов бактерий высшие растения приобретают способность участвовать в разрушении чужеродных органических соединений (ксенобиотиков), загрязняющих окру­жающую среду.

Противники генетически модифицированных растений не без оснований напоминают, что создание, испытание и семеноводство трансгенных сортов мо­нополизировано несколькими транснациональными корпорациями, которые в со­стоянии ограничивать доступ информации о неблагоприятных экологических по­следствиях широкого применения продуктов из ГМР. Очевидно, потребуется не­сколько лет для их экологической экспертизы и приспособления к консерватив­ным вкусам потребителей. Последние вправе ожидать, что закон защитит их пра­во выбора между традиционными и генетически модифицированными продукта­ми питания.

Гарантией против возможных нежелательных последствий генетической модификации растений является законодательное регулирование распростране­ния ГМР и разработка связанных с этим методов оценки экологического риска. Во многих странах уже приняты законы, предотвращающие несанкционирован­ное распространение трансгенного семенного материала и обеспечивающие мо­ниторинг трансгенов в посевах, а также маркировку пищевых товаров, изготов­ленных из продуктов ГМР или с их добавлением. В нашей стране также принят Закон о государственном регулировании в области генно-инженерной деятельно­сти от 05.07.1996 г. и подзаконные акты, регулирующие генно-инженерные рабо­ты, полевые испытания трансгенных растений и ввоз генетически модифициро­ванных семян, продуктов питания и кормов.

Специальные исследования показали, что ограниченное поступление трансгенов и белковых компонентов их экспрессии в организм человека с про­дуктами питания не может иметь тех серьезных последствий, которые дали бы основание для запрещения продуктов питания из ГМР. В то же время ГМР могут существенно оздоровить окружающую среду. Возделывание ГМР, устойчивых к широкому спектру болезней и насекомых-вредителей, сможет существенно сни­зить, а в дальнейшем и свести к минимуму пестицидную нагрузку на окружаю­щую среду. Растения, ослабленные неблагоприятными погодными условиями, легче поражаются болезнями и вредителями. Поэтому трансгенные сорта, устой­чивые к заморозкам, засолению и засухе, в меньшей степени нуждаются в хими­ческой защите, и возделывании таких ГМР, что также обеспечит снижение пестицидной нагрузки и на среду обитания.

Борьба с болезнями растений. Болезни растений не только снижают уро­жай, но и ухудшают качество продукции. При этом некоторые микроорганизмы загрязняют зерно и другую продукцию растениеводства высокотоксичными ме­таболитами, например, микотоксинами. Вот почему возделывание ГМР. устойчи­вых к неблагоприятным факторам окружающей среды, позволит повысить эколо­гическую безопасность и качество жизни населения.

ГМР, более эффективно использующие минеральные удобрения, смогут значительно уменьшить загрязнение окружающей среды нитратами и фосфатами.

Труднее оценить экологические последствия широкого применения транс­генных сортов, устойчивых к современным гербицидам сплошного действия (глифосат). Эти гербициды применяются в умеренных дозах, они малотоксичны для человека и животных и нестойки в почве. Посевы ГМР поэтому удается прак­тически полностью освободить от сорняков. Однако расширенное применение этих гербицидов может иметь неблагоприятные последствия для дикорастущих растений и окружающей природы в целом.

Наиболее серьезные возражения против ГМР связаны с предположением, что их широкое распространение приведет к появлению и быстрому размноже­нию устойчивых форм сорных растений. Потенциальная угроза горизонтального переноса модифицированных генов устойчивости заслуживает серьезного вни­мания. Например, рапс может скрещиваться с близкородственными дикорасту­щими растениями, а его пыльца переносится на расстояние нескольких километ­ров. Скрещивание сорняков того же рода может привести к появлению сорных растений, несущих гены устойчивости к гербицидам.

Столь же реально появление насекомых-вредителей, которые приобрели устойчивость к В1-токсинам, синтезируемым ГМР. Чтобы избежать распростра­нения среди насекомых-вредителей приобретенной устойчивости к токсинам трансгенной природы, необходимо соблюдать несколько правил. Насекомые, пи­тающиеся ГМР, должны получать высокую дозу токсина, что обеспечивает унич­тожение большинства вредителей и уменьшение количества особей, потенциаль­но устойчивых к токсину. Необходимо чередовать посевы трансгенных сортов так, чтобы популяции насекомых последовательно сталкивались с токсинами различного механизма действия. Наконец, по соседству с ГМР должны созда­ваться «заповедники» обычных (нетрансгенных) растений того же вида. При этом гены немногих уцелевших (устойчивых к токсину) вредителей будут «по­глощены» при скрещивании генами восприимчивых к токсину насекомых.

Другим неблагоприятным последствием широкого распространения ГМР может стать сокращение генетического разнообразия дикорастущих и особенно культурных растений на нашей планете.

Уменьшение численности фитофагов или подавление фитопатогенов мо­жет привести к размножению контролируемых ими видов растений и снижению численности энтомофагов, что изменит структуру агро- и биоценозов.

Число сортов ГМР ограничено, и если они полностью вытеснят местные сорта, это приведет к сокращению сортового разнообразия, что несет угрозу в случае резких изменений погодных условий, при эпифитотиях и инвазиях.

Есть опасность, что в изменившихся условиях трансгенный сорт поведет себя непредсказуемым образом.

ГМР могут уступать традиционным сортам в продуктивности или качестве продукции.

Ежегодный урон от болезней, вредителей, сорняков и порчи продукции растениеводства при хранении так велик, что потерянной при этом во всем мире пищи хватило бы для того, чтобы прокормить население такого континента, как Южная Америка. Вот почему в условиях продолжающегося роста народонаселе­ния вряд ли удастся остановить быстрое распространение конкурентоспособных трансгенных растений. Внедрение в сельскохозяйственную практику устойчивых к фитопатогенам и вредителям трансгенных сортов и гибридов неминуемо приведет компании, ра­ботающие на пестицидном рынке, к большим финансовым потерям, поскольку отпадет необходимость в тотальном применении гербицидов и инсектицидов. Сейчас во всем мире на химическую защиту растений от вредителей, возбудите­лей болезней и сорных растений ежегодно расходуется около 32 млрд. долларов. В этой связи делаются попытки всеми возможными путями, в том числе через средства массовой информации препятствовать продвижению трансгенных куль­тур на перспективные сельскохозяйственные мировые рынки.

Первые испытания трансгеников в России впервые начали проводить во ВНИИФ. Этому предшествовали многолетние испытания в изолированных каме­рах искусственного климата ВНИИФ трансгенных линий картофеля, созданных в Центре «Биоинженерия» РАН на основе широко районированных отечественных сортов. В геном одного из этих сортов введена генно-инженерная конструкция, кодирующая ген устойчивости к фосфинотрицину (глюфосинату аммония - дей­ствующее вещество гербицидов Баста и Ламберти). В геном другого отечествен­ного сорта картофеля были введены, также созданные специалистами Центра, конструкции на основе генов У- вируса. В процессе лабораторных испытаний бы­ли отобраны трансформанты, обладавшие наиболее высокой устойчивостью в одном случае к гербициду, а в другом - к У- вирусу картофеля. Отобранные линии картофеля испытывались в течение трех лет на изолированных делянках.

Устойчивость к фитопатогенам.Учеными ВНИИФ разрабатывается уни­кальное направление в области генной инженерии. Обычно трансгенные расте­ния обладают узкоспецифической устойчивостью к фитопатогенам (в особенно­сти к фитовирусам): в некоторых случаях включение отдельного фрагмента виру­са, выделенного из определенного штамма, индуцирует устойчивость растения к этому вирусному штамму, но не к другому штамму того же вируса. Это снижает практическую ценность трансгенных растений. Поэтому осуществляется поиск белков, способных индуцировать неспецифическую устойчивость растений к фитопатогенам. Несколько лет назад выделены белки, способные индуцировать неспецифическую устойчивость различных растений к грибной и вирусной ин­фекциям, идентифицированы и клонированы гены этих белков, созданы генно-инженерные конструкции. Начаты работы по переносу этих генно-инженерных конструкций в геном клеток табака и картофеля. Получены результаты, подтвер­ждающие экспрессию целевых генов и индукцию признака устойчивости у трансгенных растений одновременно к нескольким вирусам.

В настоящее время американскими учеными выведены сорта картофеля, устойчивые к колорадскому жуку, и сорта сои, устойчивые к глифосату. Колорад­ский жук является бичом для основных районов картофелеводства и производст­ва других пасленовых культур в России, США, Канаде и других странах. Произ­водители вынуждены проводить от 4 до 8 обработок дорогостоящими химиче­скими инсектицидами для защиты посадок от этого вредителя. Химические инсектициды к тому же являются в разной степени токсичными для теплокровных животных и человека. Кроме того, при использовании соединений одного хими­ческого класса (например, пиретроидов) у вредителей к ним сравнительно быстро возникает резистентность.

Специалисты компании Монсанто перенесли в геном ряда сортов картофе­ля ген, выделенный из бактерии Вacillusthuringinsis, разновидность tenebrioides(Bt. f ) Этот генкодирует синтез белка-эндотоксина, обладающего специфической токсичностью по отношению к определенным группам насеко­мым, включая колорадского жука. Токсичное действие белка Bt.fобусловлено тем, что он парализует пищеварительную систему жука. Содержание белка-эндотоксина Bt. fв листьях картофеля колеблется от 5,4 до 28,3 мкг/г сырой мас­сы, а в клубнях - от 0,4 до 2,0 мкг/г (менее 0,01% общего содержания белка в клубне).

Токсикологические исследования показали, что белок Bt.fбезопасен для человека и нецелевых организмов. Безопасность обусловлена специфичностью его воздействия лишь на чувствительные рецепторные мишени, имеющиеся только у определенных групп насекомых. В почве этот белок сравнительно быст­ро деградирует. В результате Государственная комиссия по продовольствию и лекарствам США (РПА) исключила белок Bt. fиз официального списка потенци­ально токсичных веществ.

Проведенные во ВНИИФ исследования показали, что ботва трансгенного картофеля, несущего ген Bt.f, активно поедается 28-точечной коровкой (Эпиляхной) без каких-либо отрицательных последствий для вредителя, что подтвержда­ет высокую видоспецифичность действия эндотоксина.

Биоинсектициды. В течение последних 30 лет в сельскохозяйственном производстве России и других стран широко и успешно применяются биоинсек­тициды, созданные на основе Васilusthuringiensis(Лепидоцид, Динел, Инсектин, Энтеробактерин, Новодор и др.). Одно из основных действующих компонен­тов этих препаратов - белок Bt.f. Всемирная Организация здравоохранения (ВОЗ), а также государственные регулирующие органы во многих странах (вклю­чая Россию) санкционировали использование указанных инсектицидов в качестве безопасного для человека и окружающей среды микробиологического средства зашиты растений. Трансгенные сорта картофеля компании Монсанто, представ­ленные на испытание их безопасности, разрешены к использованию в качестве пищевых продуктов в США, Канаде, Японии и в ряде других стран.

Задачи, которые были решены при оценке биобезопасности, представлен­ных компанией Монсанто, сортов трансгенного картофеля, заключались в сле­дующем:

3. проверить соответствие генно-инженерных конструкций, внесенных в ге­ном трансгенных сортов, заявленным;

4. определить уровень накопления эндотоксина в тканях растений и ста­бильность сохранения этого уровня в последующих генерациях;

5. изучить возможное влияние трансгенных растений на видовой состав ризосферных и эпифитных микроорганизмов;

6. провести сравнительную характеристику устойчивости представленных
трансгенных сортов к наиболее распространенным возбудителям грибных, бак­териальных и вирусных болезней к вредителям сельскохозяйственных культур;

7. оценить реакцию трансгенных сортов картофеля на обработку пестици­дами согласно принятым в России технологическим регламентам;

8. провести сравнительную оценку сохранности клубней;

9. изучить возможность возникновения резистентности колорадского жука кэндотоксину Вt;

10. оценить соответствие хозяйственно полезных признаков, обусловленных
введением чужеродных генов в растение-реципиент, заявленным.

Только после тщательного анализа этих данных и по согласованию с соот­ветствующими министерствами и ведомствами будет решаться дальнейшая судь­ба трансгенных сортов картофеля в России.

Перспективы генно-инженерной биотехнологии растений.В настоящее время различные методические приемы генетической инженерии стали состав­ной частью современной молекулярной и клеточной биологии. К основным зада­чам генно-инженерной биотехнологии растений относятся их генетическая трансформация, экспрессия чужеродных генов и ее регуляция в клетках транс­генных культур.

Три выдающихся достижения физиологии растений создали основу для интеграции технологии рекомбинантных ДНК в генно-инженерную биотехноло­гию растений. Во-первых, открытие фитогормонов, регулирующих рост и разви­тие растений. Во-вторых, разработка методов культивирования клеток и тканей растений на средах, содержащих макро- и микроэлементы, сахара, вита­мины и фитогормоны (эти методы позволяют выращивать клетки, ткани и целые растения в стерильных условиях и проводить их селекцию на специфических средах). В третьих, установление феномена тотипотентности(«полноценности», информативности) соматических растительных клеток, открывающей путь к ре­генерации из них целых растений.

В ближайшее время потенциал генно-инженерной биотехнологии растений значительно возрастет благодаря разработке методов генетической трансформа­ции клеточных органелл. Уже достигнуты значительные успехи в создании и раз­витии методов трансформации хлоропластов высших ранений. Дальнейшие ус­пехи генно-инженерной биотехнологии растений будут зависеть от понимания особенностей трансгенной экспрессии. Здесь следует отметить наблюдаемое ино­гда явление «замолкания» генов и роль метилирования ДНК в этом процессе. В настоящее время можно говорить о зарождающейся ядерной инженерии, направ­ленной на модификацию ядер с помощью чужеродных и рекомбинантных ядер­ных белков (например, ДНК-метилаз) и специфическую структурную модифика­цию чужеродных генов. Показано, что трансгенную экспрессию можно повысить на несколько порядков путем присоединению к чужеродным генам нуклеотидных последовательностей, прочно связанных с ядерным матриксом.

Вопросы для самопроверки

Каковы положительные аспекты получения генномодифицированных растений?

Какие возможны негативные последствия выращивания трансгенетиков?