Трансгенные растения
Тысячи лет люди выводят новые сорта растений
путем отбора экземпляров с новыми свойствами, полученными в результате случайных
мутаций. С начала ХХ века стали целенап-равленно применять
облучение и химические мутагены, слияния соматических клеток и т. д., а скрещивание
и отбор стали проводить с учетом законов Менделя. При этих традиционных методах изменения непредсказуемы и
обычно затрагивают многие гены.
Генноинженерные методы позволяют создавать новые генотипы и,
следователь-но, новые формы растений гораздо быстрее,
чем классические методы селекции. Кроме того, появляется возможность целенаправленного
изменения генотипа.
Генная инженерия позволяет вводить в растения
гены устойчивости к различным стрессовым факторам, фитопатогенам,
гербицидам и пестицидам, гены скороспелости, фиксации азота и др. Возможно также
и улучшение аминокислотного состава белков растений.
Наибольший
урон растениям наносят грибные, бактериальные и вирусные инфекции. В природе растения
обладают защитными механизмами, которые начинают действовать в ответ на про-никновение фитопатогенов в клетку.
Во_первых, начинается синтез веществ, убивающих патогены. Во_вторых, создаются барьеры,
препятствующие распространению инфекции.
Применение
методов генной инженерии, использующих естественные защитные механизмы, позволяет
получать трансгенные растения, устойчивые к грибной, бактериальной
и вирусной инфекции. В частности, были получены трансгенные
культуры табака и турнепса, в состав генома которых ввели генхитиназы,
а также томаты с геном защитных пептидов редьки, отвечающих за устойчивость к фитопатогенным
грибам.
Другой подход к получению растений, устойчивых
к вирусной инфекции, состоит во введении в геном исходных растений генов, кодирующих
белок оболочки вируса. Это приводит к бло-кировке размножения
вируса и снижению инфицированности. Благодаря такому подходу был получен стойкий
антивирусный эффект у табака, модифицированного геном оболочки вируса табачной мозаики.
Интересный эффект дало введение в геном растений
гена человеческого интерферона JFN – одного из ключевых белков нашего иммунитета.
Ген этого интерферона был введен в расте-ния турнепса,
табака, картофеля, что повысило устойчивость этих растений к вирусным заболеваниям.
Создание трансгенных растений, устойчивых к насекомым,
с помощью методов генной инженерии стало возможным после того, как было обнаружено,
что почвенные бактерии Bacillusthurengiensis синтезируют специфический белок, токсичный
для насекомых. Ген, от-ветственный за его синтез, удалось
выделить и ввести в геном многих видов сельскохо-зяйственных
растений.
Для человека и животных этот белок безопасен,
и даже на насекомых разные его варианты действуют по_разному.
Различные модификации Bt_токсина могут быть ядовитыми
только для
жуков,
или только для бабочек определенного отряда, и т. д.
В природе растения приспосабливаются к неблагоприятным
условиям среды различными способами. Во_первых, это физиологические
механизмы, позволяющие растениям избежать неблагоприятных воздействий (например,
опадание листвы осенью при снижении температуры). Во_вторых,
адаптация с помощью морфологических приспособлений: толстый слой кутикулы на листьях,
уменьшение листовой поверхности (прорези), ее опушение,
которые предотвращают излишнюю потерю влаги растениями. В_третьих,
негативное влияние внешней среды может быть преодолено с помощью изменений метаболизма.
Например, при засухе или чрезмерной концентрации солей в почве и воде у высших растений
основным защитным механизмом, связанным с изменением метаболизма, является накопление
в клетках осмопротекторов.
Именно
этот адаптационный механизм наиболее доступен для генноинженерных
исследований. Эксперимент показал, что стрессовый ответ на избыток солей или недостаток влаги
у бак-терий и высших растений выражается сходно: и те,
и другие начинают усиленно синтезировать белки_осмопротекторы
для восстановления осмотического баланса между цитоплазмой и окру-
жающей средой. Поэтому для создания
устойчивых к засухе и засолению растений в их геном были введены соответствующие
бактериальные гены. Полученные трансгенные растения могли
расти в
засушливой почве при концентрации соли в среде 20 г/л. Адаптация к низким темпе-ратурам сопряжена у бактерий и высших растений с накоплением
веществ, понижающих осмо_
тический потенциал клеток и уменьшающих
вероятность образования крупных кристаллов льда, способных вызвать их гибель просто
из_за разрушения клеточной оболочки. Вот почему случайные заморозки способны уничтожить
большинство сельскохозяйственных культур.
Чтобы не
допустить образования льда в клетках, уже давно применяется заражение растений мутантным
штаммом бактерии Pseudomonas syringae. Полученные таким образом растения
легко переносят
заморозки вплоть до –8°С.
Однако оказалось, что бактерии мутантного штамма
более живучи и могут вытеснить природный штамм этих бактерий, который, попадая в
верхние слои атмосферы, способствует
кристаллизации
атмосферной влаги. Вероятно, вытеснение природного штамма могло бы привести к изменению
климата и экологической катастрофе.