ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

А.А. ЖУЧЕНКО,
д.б.н., акад. РАСХН, зав. кафедрой генетики МСХА им. К.А. Тимирязева

Роль генетической инженерии в адаптивной системе селекции растений

Продукты из генетически модифицированных томатов

Продукты из генетически модифицированных томатов

При обсуждении проблем генетической инженерии сегодня основное внимание уделяется критериям, показателям и методам оценки пищевой безопасности генетически модифицированных организмов (ГМО) и получаемых из них продуктов (ГМП). В то время как, на наш взгляд, его следовало бы уделять эволюционной, биологической и экологической безопасности ГМО. Санитарно-гигиеническая и медико-биологическая экспертизы играют хотя и важную, но только вспомогательную роль, когда речь идет об эволюции организмов, действительно управляемой волей человека. Кроме того, следует соотносить угрозу голода (которая вполне реальна) с действительными возможностями биоинженерии вообще и генетической инженерии в частности, в обеспечении продовольственной безопасности населения в будущем.

Генная инженерия – хотя и исключительно важный, но лишь один из многочисленных методов управления генетической изменчивостью организмов, широко используемых в селекционной практике. И если число трансгенных сортов в настоящее время исчисляется десятками, то обычных – десятками тысяч и охватывает не 150, а свыше 5 тыс. культивируемых видов растений. Задачи традиционной селекции значительно шире: они включают как продукционные, так и средоулучшающие направления, а также введение в культуру новых видов. И, наконец, современные методы селекции позволяют манипулировать одновременно десятками признаков, включая полигенные, тогда как возможности трансгеноза* ограничиваются единичными генами.

Очевидно, что наряду с принципиально новыми возможностями, которые связаны с передачей наследственной информации между таксономически отдаленными организмами (принадлежащими к различным царствам, родам, семействам и видам), будет постоянно увеличиваться и число направлений, по которым методы генной инженерии будут интегрироваться в современную технологию селекции растений.

Возможности и достижения генетической инженерии

Изначально термин «генетическая инженерия» применяли для обозначения целенаправленной манипуляции наследственными детерминантами с целью изменения существующих видов. В настоящее время этим термином обычно обозначают генетические манипуляции, с помощью которых формируется организм, имеющий новую комбинацию наследуемых признаков. Заметим, что в смысле управления наследственностью «генетическую инженерию» использовали в течение тысячелетий безымянные селекционеры, благодаря которым еще в эпоху неолита и было введено в культуру абсолютное большинство возделываемых в настоящее время видов растений.

Использование в биоинженерии достижений фундаментальных наук, в частности молекулярной биологии, позволяет предположить, что именно генетическая инженерия окажет наибольшее влияние при селекции растений на такие адаптивно и хозяйственно ценные признаки, как интенсивность чистого фотосинтеза, индекс урожая и др. Наиболее перспективные направления в области защиты растений включают получение трансгенных сортов, устойчивых к гербицидам и вредным биопестицидам, новым формам микроорганизмов и др. Очевидно также, что сама генетическая инженерия, став экспериментальным полигоном эволюции, будет непрерывно совершенствоваться и усложняться, расширяя возможности человека в целенаправленном преобразовании организмов.

И все же адаптивная система селекции растений, базирующаяся на мобилизации генофонда, управлении наследственностью, сортоиспытании и семеноводстве, и в обозримом будущем будет обеспечивать повышение величины и качества урожая сельскохозяйственных культур на бoльшей части земледельческой территории Земли. Поэтому ближайшая проблема в области селекции состоит в том, чтобы интегрировать и кооперировать усилия селекционеров и молекулярных биологов для решения общей задачи – повышения величины и качества урожая, экологической безопасности и рентабельности растениеводства.

Однако исследования в области генетической инженерии подчас оказываются столь же опасными, сколь и выгодными. Вот почему генетическая инженерия стала самым мощным возбудителем спокойствия мировой общественности в начале XXI в. Главная трудность заключается в том, что мы пока не в силах точно спрогнозировать в долговременной перспективе все последствия ее широкого использования.

Современная селекция растений – это научно обоснованная технология управления наследственностью и изменчивостью высших эукариот. Она выступает в качестве синтетической дисциплины, широко использующей достижения физиологии, биохимии, почвоведения, микробиологии, цитогенетики, экологии и других наук и функционально объединяющей этапы мобилизации генофонда, самой селекции, сортоиспытания и семеноводства, агроэкологического районирования и конструирования агроэкосистем.

Анализ роста урожайности в XX в. показывает, что наряду с минеральными удобрениями, пестицидами и средствами механизации основную роль в этом процессе сыграло генетическое улучшение растений. Так, вклад селекции в повышение урожайности важнейших сельскохозяйственных культур за последние 30 лет оценивают в 40–80%. Именно благодаря селекции на протяжении последних 50 лет, например в США, была обеспечена ежегодная прибавка урожая в размере 1–2% по основным полевым культурам. Имеются все основания считать, что в обозримом будущем роль биологической составляющей, и в первую очередь селекционного улучшения сортов и гибридов, в повышении величины и качества урожая будет непрерывно возрастать.

Пиво, сваренное на основе трансгенных дрожжей

Пиво, сваренное на основе трансгенных дрожжей

Сочетание методов адаптивной системы селекции и генетической инженерии растений

Рекомбинационная селекция обеспечивает непрерывное расширение спектра доступной отбору генетической изменчивости хозяйственно ценных и адаптивно значимых признаков, в том числе по-стоянное увеличение числа идентифицированных генетических доноров потенциальной урожайности и экологической устойчивости. Для этого широко применяют методы ускорения генетической изменчивости, преодоления половой несовместимости между видами одного семейства, гаметофитного отбора и т.д.

Возможность интеграции адаптивной системы селекции и генетической инженерии связана прежде всего с новыми направлениями в самой селекции растений, к которым относятся:

– учет интегрированности генома у высших эукариот, проявляющейся в формировании блоков коадаптированных генов и их неизменности при передаче наследственной информации от одного поколения другому;

– переход от управления изменчивостью моногенных признаков к комбинаторике количественных (полигенных) признаков, многие из которых относятся к хозяйственно ценным;

– использование мейотической рекомбинации (а не мутаций) в формировании потенциальной, свободной и доступной отбору генетической изменчивости у цветковых растений;

– использование факторов внешней среды, определяющих не только направление и темпы естест-венного отбора («формирующее» влияние биоценотической среды), но и выступающих в качестве индукторов генетической изменчивости;

– сочетание в сортах и гибридах высокой потенциальной продуктивности, устойчивости к действию абиотических и биотических стрессоров, а также продукционных и средообразующих (почвоулучшающих, фитомелиоративных, фитосанитарных, ресурсовосстанавливающих, дизайно-эстетических и др.) функций;

– развитие новых направлений селекции, включая фито-(био)ценотическое, биоэнергетическое, экотипическое, экологическое, симбиотическое, а также апомиктическое, гаметное и др.;

– использование «доместикационного синдрома» с целью введения в культуру новых видов и экотипов растений (экологическая и экотипическая селекция).

Механизм переноса генов из клетки в клетку

Механизм переноса генов из клетки в клетку

В то же время современная селекция характеризуется целым рядом трудностей и нерешенных проблем, к числу важнейших из которых можно отнести следующие.

1. Чем больше признаков селекционер стремится объединить в одном сорте или гибриде, тем ниже темпы искусственного отбора, тем больше времени требуется для создания нового сорта. Наличие отрицательных генетических и биоэнергетических по своей природе корреляций между признаками существенно снижает темпы создания новых сортов.

2. Возможности традиционной селекции особенно ограничены при использовании зародышевой плазмы неродственных и отдаленных видов. Основным препятствием при этом являются генетически детерминированные презиготические и постзиготические барьеры. При использовании в качестве доноров ценных признаков диких родичей культурных растений продолжительность и масштабы селекционного процесса резко возрастают.

3. Дальнейший рост урожайности по важнейшим культурам сдерживается уже достигнутым высоким индексом урожая (0,5–0,8).

4. Усиление зависимости вариабельности величины и качества урожая от нерегулируемых факторов внешней среды, доля которых по основным зерновым культурам превышает 60%.

5. При внесении больших доз минеральных удобрений и мелиорантов, использовании полного набора пестицидов и средств механизации происходит экспоненциальный рост затрат исчерпаемых ресурсов на каждую дополнительную единицу урожая, в том числе пищевую калорию, усиливается зависимость продуктивности агроэкосистем от техногенных факторов, ускоряются процессы и возрастают масштабы загрязнения и разрушения окружающей среды.

6. Антиэволюционные тенденции в селекции и конструировании агроэкосистем, проявляющиеся в увеличении генетической однородности сортов и однотипности агроценозов в противовес их агроэкологической специализации, гетерогенности и эстетической привлекательности.

7. При интеграции селекционно-агротехнических и генно-инженерных программ в большинстве случаев оказывается неизвестной генетическая природа хозяйственно ценных количественных признаков, а также эффектов их взаимодействия.

8. Как в традиционной селекции, так и при трансгенозе использование новых генетических доноров, как правило, требует значительной предварительной селекционной работы.

Анализ достижений селекции в 50–80-х гг. XX в. свидетельствует также о том, что большинство улучшенных агрономических признаков, обусловивших рост урожайности, имеет полигенный, комплексный характер. Созданы сорта и гибриды с широкой агроэкологической адаптацией, более медленным старением листьев, устойчивостью к полеганию, толерантностью цветков к абортированию в условиях жары и засухи, горизонтальной устойчивостью к болезням и др. Основное внимание в современных селекционных программах уделяется сочетанию высокой потенциальной продуктивности сортов и способности противостоять действию абиотических и биотических стрессоров. В числе основных причин такой ориентации – тенденции к увеличению разрыва между рекордной и средней урожайностью по важнейшим сельскохозяйственным культурам (обычное соотношение 4 : 1), повышению зависимости величины и качества урожая от применения техногенных средств, а также погодных флуктуаций (вариабельность урожайности по годам на 60–80% обусловлена «капризами» погоды). Следовательно, дальнейшее успешное развитие селекции растений требует использования качественно новых методов, технологий и биологических концепций.

Площади посевов трансгенных культур

Площади посевов трансгенных культур

Поскольку с помощью генетической инженерии не создают, а только улучшают уже существующие гибриды, в комплексных селекционно-агротехнических программах должны быть изначально определены цели и этапы использования классических и биоинженерных методов реализации той или иной модели сорта (гибрида). Показано, например, что высокая адаптивность сорта озимой пшеницы Мироновская 808 объясняется идеальной агроэкологической «подогнанностью» его генома и цитоплазмы.

Продолжение следует


* Трансгеноз – адресное встраивание генов одного организма в геном другого.

 

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru