В работах Л. Г. Тодераш [21], И. В. Зибаровой [48, 49] показана возможность отбора устойчивых к пониженным и повышенным температурам генотипов на этапах формирования макрогаметофита, что в свою очередь приводит к повышению адаптации спорофитного поколения.
Большая часть исследований связана с селекцией мужского гаметофита.
Растения, как правило, образуют большое количество пыльцевых зерен. Например, в одной метелке кукурузы развивается 25-50 млн. пыльцевых зерен [51,119], в одном цветке томата – 160000 [203], гороха – 30000, яровой пшеницы – 6000 штук [100]. Пыльца имеет две характерные особенности, которые позволяют с успехом использовать ее в селекционных программах: а) микроскопические размеры; б) гаплоидный генотип. Первое означает, что может быть проанализировано большое число генотипов. Гаплоидное состояние генотипа по мнению D. L. Mulkahy [168], позволяет обнаружить как редкие рецессивные аллели, так и адаптивные признаки, контролируемые большим числом локусов, что является препятствием для проведения отбора на спорофитном уровне. При этом мужской гаметофит в силу меньшей защищенности по сравнению с женским гаметофитом непосредственно подвергается действию факторов окружающей среды [4].
Создание многолинейных смесей.
Одно из важных направлений селекции на высокую экологическую пластичность — создание многолинейных сортов. Многолинейный сорт выводят путем объединения при отборе из F2 или других гибридных поколений нескольких морфологически однородных, но биологически различающихся линий. Обладая более широкой нормой реакции на разные условия произрастания, такой сорт может занимать большие ареалы и обеспечивать получение стабильной урожайности при меняющихся погодных условиях. Это подтверждается быстрым распространением и возделыванием на больших площадях многолинейных сортов озимой пшеницы Одесская 51, яровой пшеницы Московская 35, ярового ячменя Донецкий 4. Получают распространение многолинейные сорта перекрестноопыляющихся культур: гибридная популяция кукурузы Надднепрянская 50, сорт зернового сорго Сатурн.
Создание многолинейных сортов имеет не менее важное значение в селекции на иммунитет. Вследствие больших трудностей выведения сортов, обладающих комплексным иммунитетом, селекционеры стремятся создавать сорта, устойчивые к наиболее распространенным в данное время в определенной зоне расам возбудителя.
Многолинейный сорт — это популяция разных по устойчивости генотипов, т. е. линий, сходных по всем другим признакам и свойствам.
Генетическая инженерия изучает проблемы направленного конструирования живых существ с заданными наследственными признаками свойствами. Одной из главных задач генетической инженерии растений является создание трансгенных растений, представляющих ценность для селекционной работы, растений - источников биомассы и источников важнейших фармацевтических веществ и ферментов, растений, способных очищать почву от техногенных загрязнений, и многих других типов трансгенных растений, представляющих практическое значение.
Первые трансгенные коммерческие сорта картофеля, кукурузы, сои были созданы в начале 90-х годов фирмой Монсанто.
Площади под трансгенными культурами наиболее быстро увеличиваются в таких странах, как США, Канада, Китай.
Создание новых сортов в рамках традиционной селекции осуществляется путем генетической рекомбинации в процессе полового скрещивания и последующей длительной стабилизации генома. При этом желательные комбинации генов возникают с очень низкой частотой, от нежелательных генов освободиться очень трудно, особенно при отдаленной гибридизации. Биотехнология создания сортов с использованием методов генетической инженерии в этом отношении имеет ряд преимуществ. Прежде всего при генетической трансформации целевой ген из одного источника может быть перенесен практически в любое растение, что открывает неограниченные возможности по созданию новых форм растений.
Одной из основных задач при селекции сортов растений является повышение качества выращиваемой продукции: белков, жиров, полисахаридов и других веществ, определяющих питательную и техническую ценность. Семена бобовых и злаковых культур обеспечивают до 70% белков, используемых человеком для питания. Количество белков различно в зависимости от генотипа, значительно различается также их аминокислотный состав. Однако ни один из используемых в пищу белков этих семян не имеет сбалансированного набора аминокислот. В них не хватает так называемых незаменимых для человека аминокислот. В белках злаковых содержится мало лизина и триптофана, а в белках бобовых-метионина и цистеина. Улучшить аминокислотный состав белков стандартными методами селекции не удается, поскольку гены, связанные с этими признаками, как правило, сцеплены и наследуются вместе с нежелательными признаками. В то же время методами генетической инженерии возможно повышение содержания незаменимых аминокислот в белках.
Наряду с улучшением аминокислотного состава белков проводится работа по созданию трансгенных растений с измененным содержанием углеводов. Например, созданы трансгенные растения картофеля, в клубнях которого наблюдается повышенное содержание крахмала.
Сельскохозяйственная биотехнология призвана обслуживать отрасли сельского хозяйства. Она разрабатывает методы и методологии создания и использования генетически модифицированных биологических объектов для интенсификации сельскохозяйственного производства, получения новых видов продуктов различного назначения, охраны окружающей среды и др.
В ее задачу входит создание принципиально новых и улучшенных генотипов растений и животных, обладающих устойчивостью к опасным патогенам и вредителям, к абиотическим стрессам, неблагоприятным факторам среды, способных продуцировать новые продукты и препараты для сельского хозяйства, промышленности и медицины.
Сельское хозяйство – довольно широкая отрасль. Ее можно подразделить на две основных подотрасли – растениеводство и животноводство. Биотехнология имеет достижения, помогающие обеим этим отраслям.
Биотехнологические методы широко используется в семеноводстве. В настоящее время для ряда культур разработаны технологии клонального микроразмножения, т.е. вегетативного размножения растений на основе культуры in vitro. Такие технологии особенно актуальны для культур, размножаемых в производстве преимущественно вегетативно (картофель, плодовые, ягодные, декоративные, лесные растения). При длительном вегетативном размножении традиционными способами (черенками, луковицами, усами и т.д.) дочерние растения накапливают вирусную, бактериальную и грибную инфекцию, что снижает качество посадочного материала.
В современном сельскохозяйственном производстве практически невозможно обойтись без гербицидов. И хотя гербициды нового поколения высокоэффективны в низких концентрациях и быстро разрушаются в почве, они не являются селективными и ингибируют рост, как сорняков, так и культурных растений. Большинство гербицидов действуют на растения путем инактивации жизненно важных ферментов, связанных с фотосинтезом или другими биосинтетическими путями. Исходя из механизмов действия гербицидов на растения разработано три основных генно-инженерных подхода к созданию гербицидоустойчивых растений:
- модификация растительного фермента мишени, в результате которой он теряет чувствительность к гербициду;
- индуцирование повышенного синтеза фермента без нарушения его нормального метаболизма;
- введение в геном растения фермента, способного деградировать и детоксицировать гербицид в растении.
При возделывании устойчивой к Раундапу сои большинство фермеров ограничивается лишь одной обработкой посевов этим гербицидом, традиционные же сорта требуют многократной обработки несколькими видами гербицидов. При этом затраты на химические средства защиты значительно сокращаются.
Многие насекомые, а также болезни, вызываемые грибной, бактериальной и вирусной инфекцией, наносят большой ущерб сельскохозяйственному производству. Хозяйства вынуждены тратить огромные средства на закупку различных химических средств для борьбы с вредителями и патогенами. При этом вносимые химикаты загрязняют окружающую среду, оказывают вредное влияние на млекопитающих и полезных насекомых. Поэтому поиск и создание с помощью генно-инженерных методов устойчивых к вредителям и болезням форм растений сейчас одна из актуальнейших задач.
Известно, что бактерия Bacillus thuringiensis синтезирует белковые кристаллические структуры, обладающие сильным инсектицидным действием. Попадая в кишечник насекомых, белок расщепляется под действием протеаз насекомого до активного токсина, который и вызывает гибель насекомого. Известно и уже изолировано много различных Bt генов (cry гены), кодирующих инсектицидные белки, которые очень специфичны для различных видов насекомых. Важно подчеркнуть, что эти белки совершенно не токсичны для млекопитающих, рыб, беспозвоночных и полезных насекомых.
Созданные трансгенные растения баклажана полностью устойчивы к колорадскому жуку.
Первый коммерческий сорт картофеля, устойчивого к колорадскому жуку, создан фирмой Монсанто путем введения в геном картофеля модифицированного Bt гена cry III.
Активно ведутся работы по клонированию генов и созданию трансгенных растений, устойчивых против грибных, бактериальных и вирусных инфекций.
Повышении плодородия почв и продуктивности растений
В последние годы большое значение приобретают работы по созданию растений, устойчивых к таким факторам среды, как холод, засуха, засоление почвы, повышенное содержание озона, тяжелые металлы и др.
Перспективным в плане улучшения фотосинтетических способностей может быть обмен различными компонентами фотосистем между розничными растениями. Возможен обмен или модификация генов, кодирующих карбоксилазу, с целью более интенсивной фиксации СО2 из воздуха. Идея создания трансгенных растений, способных фиксировать азот из воздуха, очень широко обсуждалась в первые годы после появления работ по успешной генетической трансформации растений. Однако механизм фиксации растениями молекулярного азота из воздуха оказался очень сложным и далеко не изученным, что не позволило пока создать трансгенные растения, способные самостоятельно, без помощи бактерий (фиксировать азот из воздуха. Тем не менее этот путь повышения продуктивности растений имеет перспективу в будущем. Уже делаются попытки ввести гены бобовых растений в зерновые культуры.
Быстрый рост народонаселения в мире, сокращение пахотных земель делают все более острой проблему производства продуктов питания. Генно-инженерные биотехнологии в сочетании с другими агроприемами способны помочь решить проблему обеспечения людей продуктами питания в 21 веке.
Назовем основные виды продуктов, получаемых в процессах биотехнологий для нужд растениеводства.
Антибиотики для растений. Выпускают специальные антибиотики, позволяющие «лечить» различные виды заболеваний растений (таких, как головня, спорынья и т. д.).
Ростовые вещества для растений. Подобно ростовым гормонам для животных, биотехнологические методы позволяют получать аналогичные по действию вещества и для растений (гибберелины).
Энтомопатогенные препараты. Вакцин для растений не существует. Зато есть оригинальные способы борьбы с насекомыми — вредителями растений. Для этой цели биотехнологическим путем выращивают специальные микроорганизмы, которые заражают и убивают насекомых, но не вредят человеку, животным и самому растению. Это гораздо полезнее, чем химические инсектициды, которые загрязняют окружающую среду и часто остаются на сельскохозяйственных продуктах, воздействуя, таким образом, на человека.
Феромоны. Еще один способ борьбы с насекомыми — обработка участков поля феромонами (половыми аттрактантами насекомых). Такие феромоны получают микробиологическим путем с использованием также химических стадий. Привлеченных феромонами насекомых собирают на обработанных участках и уничтожают.
Бактериальные удобрения. Имеются некоторые виды микроорганизмов, способных потреблять азот из воздуха и переводить его в аммонийную и органическую форму. Особенно эффективно обрабатывать этими микроорганизмами семена, которые при прорастании в симбиозе обеспечивают накопление азотного питания.
Использование микроорганизмов как биологических агентов для получения биомассы, органических кислот, спиртов, аминокислот, ферментов, гормонов и других соединений, трансформации органических веществ (получение биогаза, очистка сточных вод и др.) является важной составной частью биотехнологии.
Как показано выше, генно-инженерные подходы позволяют создавать формы сельскохозяйственных растений, более приспособленные к условиям внешней среды - засухе, засолению почвы, заморозкам и другим неблагоприятным факторам. Тем самым более эффективно используются экстремальные условия и территории для получения высоких урожаев, а сам факт выращивания растений на таких территориях способствует улучшению экологической обстановки. Создание и выращивание сортов, устойчивых к гербицидам, насекомым, грибным болезням, значительно снижают объемы внесения гербицидов, пестицидов и фунгицидов на поля, благодаря чему резко снижается загрязненность посевных площадей химическими веществами.
Некоторые методы генетической инженерии растений способствуют очистке территорий от загрязняющих веществ. Например, встраивание в геном растений гена белка животного происхождения аллотионеина, способного связывать многие тяжелые металлы, позволяет создать трансгенные растения, устойчивые к кадмию, цинку и другим металлам.
Для очистки сточных вод широко используются биофильтры – сооружения, заполненные крупнозернистым наполнителем, на поверхности которого развиваются микроорганизмы. В сельском хозяйстве при компостировании навоза применяется аэробное разложение твёрдых отходов. Широко используется биодеградация – процесс разрушения отходов (ксенобиотиков), с помощью микроорганизмов
Биоразлагаемые полимеры. Мы уже говорили об использовании биоразлагаемых полимеров применительно к медицине. Однако эта проблема гораздо более остро стоит в экологии. Без большого преувеличения можно сказать, что XX век — это век пластмасс. Вещи из полиэтилена, полипропилена и других пластмасс в буквальном смысле слова окружают нас повсюду. Особенно много пластиковой упаковки, которую после использования чаще всего просто выбрасывают. И здесь ее, в принципе ценное, свойство — устойчивость к разложению влагой, светом, холодом и теплом, почвенными микроорганизмами — играет отрицательную роль. Земной шар буквально переполнен использованной пластмассовой упаковкой! Поэтому в некоторых странах, заботящихся об экологии (США, Германии, Англии), уже действуют ограничения на использование пластмассовой упаковки. Взамен предлагается упаковка на основе полигидроксибутирата или полилактата или специальным образом обработанного крахмала в смеси с целлюлозой. Биотехнология может помочь в создании таких материалов, хотя они и будут дороже. Выброшенные пакеты или флаконы из таких материалов при взаимодействии с почвенными микроорганизмами будут превращаться в воду, диоксид углерода и биомассу этих самых микроорганизмов, предохраняя планету от отходов.
Стиральные порошки с ферментами. Сейчас уже не новость это достижение биотехнологии, хотя появилось оно чуть больше 30 лет назад. Ферменты для таких порошков (протеазы) производятся биотехнологическими методами.
Вермикультивирование и копрокультивирование. Многие отходы сельскохозяйственного производства и пищевой промышленности могут перерабатываться не только с помощью микроорганизмов (биокомпостирование или метановое брожение), но и с помощью низших организмов — червей. Среди них есть очень эффективные виды — калифорнийские красные черви, которые «перемалывают» землю с разными органическими отходами в прекрасное удобрение. Нормальное состояние кладбищ также невозможно без червей. Это направление переработки отходов называют вермикулыпивированием. Кстати, если при этом поблизости иметь подсобное хозяйство для разведения птиц, то избыток червей вполне может служить пищей курам, гусям и прочей птице. Вермикультивирование чем-то напоминает разведение личинок мух (нельзя давать им превращаться в летающих мух). Известно, что мухи откладывают огромное количество яиц, которые весьма быстро растут, превращаясь в личинки мух и при этом перерабатывая всевозможные гнилые отходы. Показано, что личинки являются превосходным кормом для птиц, а при определенной обработке – также для свиней и пушных зверей (норок, например). Это направление называют копрокулътивированием. Хотя эти два направления, строго говоря, не подпадают под наше определение биотехнологии, все же о них стоит вспомнить, потому что они могут применяться в сочетании с биокомпостированием.