7.2. Трансгенные растения, используемые в защите растений

В последние годы для защиты растений от вредных организмов все более значимо понятие трансгенного растения.

Другое название - генетически модифи­цированные растения, или ГМ-растения. Первое ГМ-растение получено в 1982 г. К началу XXI в. в мире было создано около 100 генетических конструкций растений. Наиболее широко используются трансгенные растения, устойчивые к гербицидам.

Гербицидоустойчивые трансгенные растения

Получение растений, устойчивых к гербицидам, методами генной инженерии основано на изменении механизма толерантности растений и включает следующие этапы:

1) выявление мишеней действия гербицидов в клетке раcтения;

2) отбор растений, устойчивых к данному гербициду, в качестве источников генов резистентности;

3) идентификация и клонирование этих генов.

Биотехнологические подходы позволили генетически изменять устойчивость растения к разным гербицидам либо путем введения генов, кодирующих белки, нечувствительные к данному гербициду, либо за счет введения генов, обеспечивающих ускоренный метаболизм гербицида в растении. Гербициды в растении разрушаются такими ферментными системами, как, например, оксидазы. Они выявлены у устойчивых сортов кукурузы, гороха, ячменя. Выделив из таких линий гены этих ферментов, с помощью известных приемов генной инженерии можно перенести эти гены другим растениям, сделав их устойчивыми к атразину. Для внедрения гена, контролирующего активность фермента, который разрушает гербициды, использовали культуру клеток растений. В эти клетки чужеродную ДНК вводили бомбардировкой золотыми частицами, покрытыми плазмидами. Растения-регенеранты обладали устойчивостью к гербициду.

В США получены трансгенные растения рапса, сои и хлопчатника, устойчивые к Раундапу (глифосату). Это стало возможным после клонирования генов, кодирующих нечувствительные к гербицидам ферменты-мишени. При введении генов, кодирующих ферменты деградации гербицидов, получены трансгенные растения, устойчивые к фосфинотрицину (Баста). В целом гены, кодирующие ферменты деструкции и модификации гербицидов, могут использоваться для создания транс­генных растений, устойчивых к разным гербицидам.

Растения, устойчивые к вирусным болезням

Вместо вакцинной обработки против растительных вирусов было предложено использовать методы генной инженерии. Начало было положено введением в растение табака гена белка оболочки Х-вируса картофеля. Это привело к повышению устойчивости к вирусным болезням. Данный подход реализован впоследствии на примере разных фитовирусов и видов растений. Установлено, что экспрессия капсидного белка вирусов табачной и огуречной мозаики, мозаики люцерны в соответствующих трансгенных растениях обеспечивает высокий уровень их защиты от последующей вирусной инфекции. Таким способом получены трансгенные растения картофеля, томата, огурца и других культур.

Устойчивость к грибным и бактериальным болезням

Суть одной из первых разработок по трансгенным растениям, устойчивым к фитопатогенным грибам, заключалась во введении гена хитиназы. Из бобовых культур выделили ген синтеза хитиназы и внедрили в растения томата и рапса, что сделало их устойчивыми к ризоктониозу (путем расщепления ферментом хитиновой оболочки гриба-возбудителя). В ВИЗР проведены работы по созданию трансгенных растений, содержащих гены бактериальной хитиназы и глюканазы. В качестве источника этих генов выбрана почвообитающая бактерия Serratia marcescens. Включение в растение наряду с геном хитиназы генов других ферментов, контролирующих антигрибную активность, усиливает защитный эффект трансгенного растения в отношении  фитопатогенных грибов.

В целом, для усиления устойчивости растений к фитопатогенам представляет интерес введение генов, кодирующих патогензависимые белки (PR-белки, pathogenesis related), например, тауматин. Это ассоциируется с понятием индуцированного иммунитета.

Для усиления синтеза фитоалексинов перспективны генноинженерные подходы, что показано на примере трансгенных растений табака. Часть патогензависимых белков обладает хитиназной активностью, т.е. хитиназа может быть фитоалексином. Клетки растений не содержат хитина - субстрата хитиназы, однако в состав клеточных стенок ряда фитопатогенов входит хитин. Индуцируемая хитиназа секретируется, как правило, в места локализации инфекции у растений. Работами сотрудников ВИЗР подтверждена роль индуцируемой хитиназы в устойчивости растений к грибным патогенам. Например, при обработке пшеницы хитозаном (субстратом) активность хитиназы возрастает в 2-5 раз и снижается развитие бурой ржавчины в 6-9 раз (Тютерев, 1999). Новая стратегия в использовании генов, контролирующих признак устойчивости к болезням, состоит в следующем. Полагают, что перспективно вводить не гены синтеза отдельных белков, а гены, контролирующие в растении синтез соответствующих элиситоров. Элиситоры - биологически активные вещества внедряющегося фитопатогена, провоцирующие образование фитоалексинов в растении. В этом плане представляет интерес введение в клетки растений генов фитопатогенных организмов, кодирующих синтез веществ с высокой элиситорной активностью. Среди изученных в ВИЗР элиситоров наиболее перспективными считают группу, базирующуюся на молекуле хитозана. Кроме того, к элиситорам относят арахидоновую кислоту - основу препарата иммуноцитофит.

Для получения трансгенных растений, устойчивых и к бактериальным, и к грибным инфекциям, используют перенос генов небольших белков, выполняющих защитную функцию и называемых дефензинами. Перенос этих генов в сельскохозяйственные растения обеспечил устойчивость к таким возбудителям, как Erwinia carotovora, E. amylovora, Xanthomonas campestris, Alternaria longipes. Во ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии перенос клонированного гена дефензина редьки в растения томата обеспечил устойчивость к фитофторе, а в растения капусты - к киле.

Устойчивость растений к вредным насекомым

Внедряя гены энтомопатогенной бактерии B. thuringiensis (БТ) (точнее, cry-гены эндотоксина) в растения, получают трансгенные растения, устойчивые к вредным насекомым. Впервые cry-гены БТ были введены в растения табака в 80-е годы, и было показано, что насекомые, поедающие эти растения, погибают от действия эндотоксина БТ. В 1996 г. в США впервые началась продажа производителям сельскохозяйственной продукции сортов картофеля, хлопка и кукурузы, содержащих cry-гены. Использование трансгенных растений, содержащих гены БТ-токсинов, имеет ряд преимуществ по сравнению с технологией опрыскивания бакте­риальными препаратами. Во-первых, токсины непрерывно продуцируются в каждой клетке растения, и не остается особей фитофага, избежавших поглощения БТ-токсинов. Во-вторых, система поставки БТ-белков растением обеспечивает расширение круга хозяев, включая сосущих и скрыто­живущих вредителей. В России пока проводят только исследования по введению генов БТ-токсинов в растения. Получены трансгенные растения томатов, несущие ген cry 1А из Bt ssp. kurstaki (ВИЗР). Во ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии выполнен перенос гена Bt ssp. tenebrionis в растения  картофеля, которые стали устойчивы к колорадскому жуку.

Отметим, что еще не использованы потенциальные возможности насекомоядных растений в биологической защите. Такие растения бывают: 1) с листовыми емкостями, улавливающими насекомых с помощью содержащегося там сока; 2) с захлопывающимися листовыми пластинками; 3) с волосками, покрытыми липким секретом и т.д. Для практического использования насекомоядных растений надо решить биотехнологические задачи. Например, конструирование методами генной инженерии растений, сочетающих признаки разных групп, или введение комплекса генов насекомоядности в культурные растения, которые смогли бы сами защищаться от вредителей.

Аналогично генам БТ можно вводить в растения гены бакуловирусов или энтомопатогенных грибов, специфичных для определенных фитофагов.

Перспективным методом выведения форм с комплексной устой­чивостью к вредителям и болезням может стать получение растений с измененным составом фитостеринов. Известно, что на развитие атакующих растение насекомых и грибов могут влиять как изменение количества стеринов в растении, так и их состава. Такое оптимальное изменение на уровне генов растения весьма полезно для возникновения комплексной устойчивости. Пока для изменения состава стеринов используют ингибиторы их биосинтеза.

Практическое использование трансгенных растений

Ведущее место в развитии трансгенных растений принадлежит странам Западной Европы и США. Сначала это были фундаментальные иссле­дования в университетах, затем подключились коммерческие фирмы «Новартис», «Монсанто», «Шелл» и другие. К началу 1998 г. проведено более 25 тыс. полевых опытов с трансгенными растениями, из них 75% в Канаде и США. К этому периоду в России только начали апробацию трансгенных растений в полевых условиях (около 30 опытов). В начале XXI в. площадь полей в мире, занятая генетически модифицированными (ГМ) растениями, достигла 50 млн га.

Считается, что в результате этой первой волны биотехнологической революции к 2025 г. продукция земледелия увеличится в 2-3 раза. Широкому распространению ГМ-культур в США способствовали организация широких испытаний и регистрация трансгенных растений. Этим занимаются три ведомства: Служба здоровья и инспекции животных и растений МСХ, Агентство по охране окружающей среды и Федеральная администрация по продовольствию и медикаментам. Цены на зерно ГМ-культур, как правило, не отличаются от цен на зерно, полученное традиционными методами.

В России сотрудниками ВНИИ биологической защиты растений и ВНИИ фитопатологии проведены многолетние испытания на закрытых полях трансгенных растений, устойчивых к вредителям и гербицидам, в частности, картофеля с введенным БТ-геном, специфичным по отношению к колорадскому жуку. Эти опыты подтвердили выводы о биобезопасности и эффективности этих ГМ-растений. Полный цикл исследований в соответствии с предложенной системой медико-биологической оценки прошли несколько видов продукции растениеводства. На этом основании на начало XXI в. в России разрешены для реализации населению и использования в качестве сырья для пищевой промышленности:

♦ ГМ-соя линии 40-3-2, устойчивая глифосату (Монсанто Ко, США);

♦ два сорта ГМ-картофеля, устойчивые к колорадскому жуку, «Рассет Бурбанк Ньюлив» и «Супериор Ньюлив» (Монсанто Ко);

♦ три линии ГМ-кукурузы: MON 810, устойчивая к стеблевому мотыльку, и GA-21, устойчивая к глифосату (Монсанто Ко), а также Т-25, устойчивая к глюфосинату аммония (АВЕНТИС Кроп Сайенс ГмбХ, Германия);

♦ сахарная свекла линии 77, устойчивая к глифосату (Сингента Сидс, Франция и Монсанто Ко, США), и сахар-песок, произведенный из нее (Тутельян, 2003).

По оценке квалифицированных экспертов, трансгенные растения не представляют опасности для человека и окружающей среды, поскольку и в природе часто происходит обмен генами между растениями или перенос бактериальных плазмид в растения. Однако для доказательства этого нужны многолетние исследования, связанные с пищевой и кормовой ценностью урожая, возможностью горизонтального переноса свойств трансгенных растений к немодифицированным культурным растениям, сорнякам и микроорганизмам экосистем. Несомненно, необходимо исполнение законов, касающихся генной инженерии, главным принципом которых должен стать известный в медицине принцип «не навреди» (глава 1).