Новости
08.12.2016


08.12.2016


08.12.2016


07.12.2016


07.12.2016


16.12.2015

Современные подходы к управлению генотипической изменчивостью в селекции растений основаны на положениях экологической генетики об особенностях формирования и функционирования адаптивного потенциала высших организмов. В числе таковых принципиально новые взгляды на роль мутаций и рекомбинаций у цветковых растений; на генетическую природу структурной организации и функционирование количественных признаков; на растение как интегрированную систему генетических детерминантов ядра и цитоплазмы (всего идиотипа), а не мешка менделирующих горошин-генов или «реестра признаков»; роль абиотических и биотических условий внешней среды, выступающих не только в качестве факторов отбора (функция сепарации), но и индукторов мутационной и рекомбинационной изменчивости организмов. Таким образом, речь идет о несостоятельности представлений об онтогенетической адаптации высших растений как наборе приспособительных признаков и о якобы свободном их комбинировании при скрещивании, т.е. неограниченной генотипической изменчивости и ее достаточности, о возможностях сохранения генофонда в условиях его экологической пассивности (по принципу «эрмитажа», «ноева ковчега» и даже стержневой коллекции) и т.д.
Общеизвестно несоответствие сложности организма высших эукариот и многообразия его функций количеству имеющихся генов. В то же время, чем сложнее организм, тем труднее предсказать возможные изменения его адаптивных реакций в онтогенезе и филогенезе в результате замены даже одного гена, не говоря уже о блоках коадаптированных генов. Обусловлено это тем, что каждый ген, а тем более блок генов, обычно выполняет несколько (а с учетом плейотропии и множество) функций, что и предопределяет непредсказуемость последствий их замены.
Можно считать доказанным, что целостность генома вида (а во многих аспектах и сорта) защищена каскадом генетических систем, канализирующих процессы генетической изменчивости и ограничивающих спектр доступных естественному и искусственному отбору рекомбинантов (особенно интрогрессивных и трансгрессивных). Другими словами, status quo генофонда высших эукариот количественно и качественно поддерживается множеством механизмов. Разумеется, роль канализированности генетической изменчивости, весьма относительная при естественной эволюции, оказывается существенной в селекции, когда на создание новых сортов растений со все большей урожайностью и комплексом хозяйственно ценных признаков отводятся лишь считанные годы. Бесспорно, мы еще весьма далеки от полного использования той генетической изменчивости, которая обеспечивается за счет традиционных методов селекции. Однако необходимость расширения и качественного изменения спектра доступной отбору генотипической изменчивости культурных растений стала очевидной и неотложной.
В дискуссиях по проблемам генетической инженерии основной упор делается на критериях, показателях и методах оценки пищевой безопасности генетически модифицированных организмов (ГМО) и получаемых из них продуктов. Между тем главное внимание, на наш взгляд, должно быть уделено эволюционной, биологической и экологической безопасности ГМО, в т.ч. ограничениям в использовании трансгенных растений (рис. 4.39). Вся история развития сельского хозяйства (да и цивилизации в целом) многократно доказывала пагубность подмены широкого научного базиса узким сиюминутным прагматизмом и всякого рода целесообразностью (экономической, политической, конъюнктурной и пр.). Санитарно-гигиеническая и медико-биологическая экспертизы играют хотя и важную, но только вспомогательную роль, когда речь идет об эволюции организмов, действительно управляемой волей человек». 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 предстоящий период.

Значение генной инженерии в адаптивной системе селекции растений (мифы и реалии)

Генная инженерия - хотя и исключительно важный, но лишь один из многочисленных методов управления генотипической 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 пока ограничиваются единичными генами.
Такое действительно выдающееся достижение человеческого разума, как генетическая инженерия, не нуждается в вымыслах и преувеличениях, которые и без того усиливают чувство неуверенности людей при использовании продуктов, производимых с помощью ГМ-растений и животных. 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 адаптивной системы селекции растений (табл. 4.12 и рис. 4.40). Считается, что в 2006 г. мировая рыночная цена использования трансгенных растений превысила 6 Млрд долл., из которых доля в общих затратах растениеводства на защиту агроценозов и закупку семян составила соответственно 16 и 21%. Из них 2,7 млрд долл. пришлось на сою, 2,4 - на кукурузу и 0,9 млрд долл. - на хлопчатник.
Значение генной инженерии в адаптивной системе селекции растений (мифы и реалии)
Значение генной инженерии в адаптивной системе селекции растений (мифы и реалии)

Еще в 1970-х гг. генетическая инженерия обсуждалась в духе чудес F. Hoyle, предсказывавшего в XXI в. возможность получения гибридов между растениями и животными. 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 управление наследственностью в течение тысячелетий использовали безымянные селекционеры, благодаря которым еще в эпоху неолита и было введено в культуру абсолютное большинство возделываемых в мире видов растений.
Биоинженерия в отличие от традиционных методов селекции обладает наибольшей возможностью технологизировать достижения в области фундаментальных знаний, и в частности молекулярной биологии. Кроме того, методы биотехнологии являются качественно новым инструментом для непосредственного изучения структурно-функциональной организации генетического материала. А это, в свою очередь, позволяет предположить, что генетическая инженерия растений окажет наибольшее влияние при селекции 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 видам, биопестицидов, новых форм 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 вполне вероятно, что дальнейшее развитие методов молекулярной биологии, в т.ч. трансгеноза, позволит поднять современную селекцию растений на качественно новый уровень.
И все же адаптивная система селекции растений, базирующаяся на мобилизации генофонда, управлении наследственностью, сортоиспытании и семеноводстве, и в обозримом будущем будет главным средством повышения величины и качества урожая сельскохозяйственных культур на большей части земледельческой территории Земли. При этом именно селекционеры растений будут выполнять роль стратегов в улучшении сельскохозяйственных культур и обеспечении продовольственной безопасности, осваивая в качестве вспомогательных новые, в т.ч. и трансгенные, технологии. Поэтому ближайшая проблема в области селекции состоит в том, чтобы интегрировать и скооперировать усилия селекционеров и молекулярных биологов для решения общей задачи - повышения величины и качества урожая, ресурсоэнергоэкономичности, экологической надежности, безопасности и рентабельности растениеводства.
Однако исследования в области генетической инженерии несут с собой не только радужные ожидания. Они подчас оказываются столь же опасными, сколь и выгодными. Вот почему генетическая инженерия стала самым мощным возбудителем спокойствия мировой общественности в начале XXI столетия. Связано это с тем, что, как и любое другое судьбоносное для Homo sapiens направление науки, генетическая инженерия может иметь не только позитивные, но и негативные последствия. И главная трудность заключается в том, что мы пока не в силах точно спрогнозировать не только все последствия ее широкого использования в долговременной перспективе, но и потенциальный риск в обозримом будущем. То, что генетическая инженерия позволяет обеспечить «гибридизацию без границ», вовсе не дает право для безграничных фантазий, выдаваемых нередко в качестве панацеи, позволяющей избавить современную цивилизацию от всех природных, экономических и социальных бед.
Хотя разделение сложного целого на составляющие элементы и является почти универсальным подходом (методом) в биологических исследованиях, структура не может быть важнее функции, а компоненты совокупности сами по себе не характеризуют целое, свойства которого фундаментально отличаются от составляющих частей. Вот почему даже выдающиеся достижения в области молекулярной биологии не способны объяснить сущности биологических явлений на уровне жизни. XXI в. - действительно век биологии, но это вовсе не означает, что биология как наука о закономерностях органической жизни исчерпывается представлением Только о молекулярном уровне ее организации и преобразования.
Между тем при обсуждении возможностей генетической инженерии все больше доминирует тенденция недооценивать сложность, а также динамический и непрерывный характер «живых явлений» и преувеличивать роль отдельных генов в определении способности организмов к адаптации, в т.ч. за счет саморегуляции. Односторонний структуралистский подход, ориентирующий на манипуляцию отдельными генами, кодирующими «признаки с определенными функциями», и рассматривающий онтогенез в качестве их «реестра», позволяет решить лишь небольшую, причем далеко не самую главную часть современных селекционных задач. Что же касается ответа на фундаментальный вопрос, может ли реальный мир быть лучше объяснен с функционалистской или структуралистской точки зрения, то очевидна неправомерность игнорирования интегрированности процесса биологической адаптации, определяющей эволюционную сущность всего живого.
Современная селекция растений - это научно обоснованная технология управления наследственностью и изменчивостью высших эукариот, позволяющая реализовать социально-экономические, экологические, дизайно-эстетические и другие цели. Являясь средством биологического контроля над адаптивными и адаптирующими реакциями растений с целью непрерывного увеличения их продукционных и средоулучшающих возможностей, адаптивная система селекции технологизирует достижения как прикладных, так и фундаментальных знаний. Другими словами, селекция 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 некоторым 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.
Рекомбинационная селекция обеспечивает постоянное расширение спектра доступной отбору генетической изменчивости хозяйственно ценных и адаптивно значимых признаков, в т.ч. постоянное увеличение числа идентифицированных генетических доноров потенциальной урожайности и экологической устойчивости. Для этого широко применяют методы эндогенного и экзогенного индуцирования генетической изменчивости, преодоления половой несовместимости между видами одного семейства, гаметофитного отбора, позволяющего на основе больших популяций пыльцы идентифицировать на искусственных фонах генотипы, функционально эквивалентные искомым спорофитам и т.д.
Рассматривая возможности интеграции адаптивной системы селекции и генетической инженерии, следует, прежде всего, определить принципиально новые приоритеты самой селекции растений, вытекающие из современного понимания:
- роли интегрированности генома и всего идиотипа у высших эукариот, проявляющейся в формировании блоков коадаптированных генов и сохранении их status quo при передаче наследственной информации от одного поколения другому;
- необходимости перехода от управления изменчивостью моногенных признаков к комбинаторике количественных (полигенных) признаков, многие из которых относятся к хозяйственно ценным;
- первостепенной роли мейотической рекомбинации (а не мутаций) в формировании потенциальной, свободной и доступной отбору генетической изменчивости у цветковых растений;
- роли абиотических и биотических факторов внешней среды, определяющих не только направление и темпы естественного отбора («формирующее» влияние абиотической и биоценотической среды), но и выступающих в качестве индукторов генотипической изменчивости (мутационной, рекомбинационной, репарационной, транспозиционной);
- необходимости сочетания в сортах и гибридах высокой потенциальной продуктивности, устойчивости к действию абиотических и биотических стрессоров, а также продукционных и средообразующих (почвозащитных, почвоулучшающих, фитомелиоративиых, фитосанитарных, ресурсовосстанавливающих, дизайно-эстетических и др.) функций;
- важности развития новых направлений селекции, включая фито(био)ценотическое, биоэнергетическое, экотипическое, экологическое, симбиотическое, апомиктическое, гаметное и др.
- возможности использования «доместикационного синдрома» с целью введения в культуру новых видов и экотипов растений (экологическая и экотипическая селекция).
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 таксономически 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 т.ч. 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 дизайно-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 столетия 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.
Известно, что генетика количественных признаков, игнорируя реальную генетическую природу их структурной организации и фунционирования, длительное время базировалась на методах, сводящих сложные признаки к простым («главным факторам» и пр.). В дальнейшем была признана динамичность формирования количественных признаков в морфогенезе, обусловливающая многовариантность реализации матричных структур (на пути ген - признак), перераспределение экспрессии генов и блоков генов в процессе формирования сложного признака и т.д. В настоящее время количественные признаки обычно рассматривают как динамичную многовариантную целостность, выявить генетическую природу всех составляющих которой практически невозможно. Что же касается генетических маркеров, реализующих свой эффект в отношении количественных признаков, то их идентификация остается весьма сложной, а практическое использование оказалось наиболее успешным в селекции (marker assisted selection - MAS) на повышение качества урожая, а также устойчивости к некоторым особенно опасным болезням и вредителям (табл. 4.13). Обусловлено это тем, что генетический маркер (genetic marker) детерминирует отчетливо выраженный фенотипический признак, позволяющий следить за характером наследования других признаков, с которыми данный маркер сцеплен.
Значение генной инженерии в адаптивной системе селекции растений (мифы и реалии)
Значение генной инженерии в адаптивной системе селекции растений (мифы и реалии)

Поскольку с помощью генетической инженерии не создают, а только улучшают уже адаптированные к определенным условиям внешней среды, а также технологиям возделывания сорта и гибриды, в комплексных селекционно-агротехнических программах должны быть изначально определены цели и этапы использования классических и биоинженерных методов управления наследственной изменчивостью при реализации той или иной морфофизиологической модели сорта (гибрида). Показано, например, что высокая адаптивность сорта озимой пшеницы Мироновская 808, получившего широкое распространение в самых разных почвенно-климатических и погодных условиях возделывания, объясняется идеальной агроэкологической «подогнанностью» его генома и цитоплазмы (плазмона), что и определяет высокую зимостойкость и гомеостатическую способность колоса, а также выносливость при загущении стеблестоя.
С учетом многочисленных неудачных попыток повысить морозоустойчивость и зимостойкость, соле- и кислотоустойчивость, скороспелость и фотосинтетическую производительность широко культивируемых видов растений в предстоящий период особое внимание будет уделено введению в культуру новых видов (направление «смены вида»), обладающих большим потенциалом конститутивной адаптивности. При этом повышение урожайности новых культур будет обеспечиваться за счет признаков, усиливающих как потенциальную продуктивность и экологическую устойчивость растений, так и их средоулучшающие (азотфиксирующие, фитосанитарные и др.) функции. Особенно большие возможности генетической инженерии открываются, на наш взгляд, в плане использования методов трансгеноза для индукции мейотической рекомбинации на основе переноса в межвидовые гибриды растений эндогенных индукторов кроссинговера. Доказано, например, что перенос гена rес А в растения табака позволяет увеличить рекомбинационную изменчивость. В опытах Авдеева и др. установлено, что у ре-генерантов и гибридов трансгенных растений томата, несущих ген кристаллического белка дельтата-эндотоксина, повышается частота выщепления «редких» мутаций. В наших опытах обнаружено изменение частоты рекомбинаций между локусами ful-e гибридов томата, полученных при участии трансгенной формы с Ds-элементом в 4-й хромосоме. Одновременно отмечены и изменения расщепления по фенотипическим классам.
Показано также, что преобразование генетической информации в филогенезе тесно связано с межвидовым переносом генов. Уже в работах Anderson были представлены не только доводы в пользу этого явления, но и рассмотрены его эволюционные последствия. Здесь важно подчеркнуть, что именно различные компоненты подвижных генетических элементов с помощью вирусов могут обеспечить перенос генов от одного вида к другому. Так, транспозируемый элемент Bsl, выделенный как генетически нестабильная инсерция, активирующая аллель Adh 1-S кукурузы, обнаружен в потомстве растений, инфицированных вирусом штриховатой мозаики ячменя (BSMV). Ранее в опытах Sprague et al., Nelson было установлено, что заражение указанным вирусом растений кукурузы инициирует новые мутации и другие типы генетической нестабильности. Причем инфицирование BSMV нередко приводило к отклонению от соотношения 3:1 по маркерным генам. В качестве одной из возможных гипотез сохранения элемента Bsl в линиях кукурузы в процессе отбора Johns et al. рассматривают предположение о том, что инфицирование многих линий кукурузы вирусом BSMV, содержащим последовательности этого элемента, приводило к инсерции их в геном хозяина. Однако большее предпочтение авторы отдают все же гипотезе Кidwell, предложенной для элементов Р дрозофилы.
В обзоре «Кризис аграрной цивилизации и генетически модифицированные организмы» Глазко отмечает, что к настоящему времени собрана целая коллекция Т-ДНК индуцированных мутаций, характеризующихся, например, измененным строением цветка и мужской стерильностью. При этом мутантные фенотипы, возникающие как следствие встраивания чужеродной ДНК (Т-ДНК инсерции), появляются с частотой до 5%.
Рассматривая проблему межвидового (или горизонтального) переноса генов и его возможную роль в эволюции, Syvanen справедливо считает, что суть вопроса не в том, действительно ли возможен межвидовой перенос генов, а в том, происходит ли этот процесс с такой частотой, которая существенно могла бы влиять на направление и скорость эволюции. Не вдаваясь в обсуждение многочисленных гипотез по этому поводу, мы тем не менее с позиций двойственной природы «генетической системы» хотели бы подчеркнуть значение межвидового переноса генов в плане возможного преобразования компонентов генетической программы филогенетической адаптации, т.е. эволюции факторов эволюции.
Особенно широкие перспективы представляет сочетание методов традиционной селекции и трансгеноза при создании сортов с вертикальной устойчивостью, а также многолинейных и синтетических сортов. Связано это с тем, что методы генной инженерии позволяют встраивать в растение-реципиент сразу несколько разных генов устойчивости, создавая, таким образом, «пирамиду генов», обеспечивающую комплексную резистентность сорта. Вместе с тем нет оснований утверждать, что генная инженерия якобы сокращает время выведения сортов с требуемыми характеристиками, т.к. для этого всегда используют уже приспособленные к местным условиям внешней среды (почве, климату, погоде, технологиям возделывания) сорта и гибриды, для создания которых необходимо 5-10 лет и более.
На многих объектах установлена корреляция между признаками, проявляющимися на гаметофитном и спорофитном уровнях. Например, экспериментально показано, что устойчивость томата к повышенной температуре (жаростойкость) коррелирует с определенным спектром эстераз в пыльце, их активностью и термостабильностью, а также характером изменчивости морфоцитохимических признаков самой пыльцы. При этом на гаплоидном уровне могут экспрессироваться такие признаки, выявить которые у диплоидов обычно не удается. Однако с переходом к отбору на гаплоидном уровне, например у кукурузы, существенно изменяется отношение между признаками, что, в свою очередь, усложняет прогноз их проявления у диплоидов. Доказана возможность введения экзогенной ДНК в растения посредством прорастающей пыльцы.
Таким образом, с помощью гаметной селекции и гаметофитного отбора молено успешно решать следующие селекционно-генетические задачи:
- улучшение показателей самих репродуктивных структур, и в частности пыльцы (изменение аэродинамических свойств и фертильности; повышение пыльцепроизводящей функции растений, а также способности пыльцы прорастать при пониженных или, наоборот, повышенных температурах, влажности, освещенности и других стрессовых ситуациях);
- изменение признаков спорофита за счет оценки и отбора генетически разнркачественных пыльцевых зерен, т.е. на основе использования корреляций между признаками гаметофита и спорофита;
- оценка эндогенного (включая трансгеноз) и экзогенного индуцирования частоты и спектра рекомбинационной изменчивости, проявления признаков пыльцы у гибридов F1, характера их наследования, а также дифференциального роста пыльцевых трубок in vitro и in vivo;
- исследование особенностей проявления признаков на гаплоидном уровне, причем с учетом того, что у диплоидов некоторые признаки не экспрессируются;
- повышение точности гибридологического анализа за счет учета элиминации маркированных рекомбинантных микрогамет, а также изменения соотношений между фенотипическими классами растений в расщепляющихся поколениях.
Поскольку гаметная селекция, базирующаяся на прямом (свойства самой пыльцы) и косвенном (корреляция между признаками гаметофита и спорофита) отборе пыльцы, позволяет значительно ускорить селекционный процесс, очевидна не только возможность, но и целесообразность сочетания методов гаметной селекции и трансгеноза. В основу такой (интеграции может быть положена гибридизация трансгенных форм с сортами-реципиентами, а также использование самой пыльцы в качестве генетически модифицируемого объекта. Главные преимущества сочетания методов гаметной селекции и генной инженерии состоят, на наш взгляд, как в возможности оценки громадного числа гамет для прямого отбора искомых генотипов на специально созданных и сравнительно легко регулируемых фонах, так и в увеличении вероятности) идентификации ценных спорофитов на основе корреляционного анализа (косвенный гаметофитный отбор). В интеграции методов современной селекции и биоинженерии исключительно важную роль играет возможность с помощью последней решать две принципиально разные, но одинаково приоритетные для селекции и семеноводства растений задачи: различать генотипы и паспортизировать сорта, а также выявлять гены, контролирующие хозяйственно ценные и адаптивно значимые признаки.
Благодаря достижениям молекулярной биологии и популяционной генетики в настоящее время генетическая гетерогенность растений и пыльцы может быть оценена не только по агрономическим и биохимическим признакам, как это было во времена Н.И. Вавилова, но и на молекулярном уровне (изоферментный анализ, одномерный и двумерный электрофорез, рестрикция ДНК и др.). При учете генетического разнообразия особого внимания заслуживает учет новых аллелей, а также новых сочетаний генов (с указанием географического происхождения и генеалогии образцов, их географической отдаленности, степени генеалогического родства и т.д.). О биологическом разнообразии объектов исследования можно также судить по индикаторам расстояния или дивергенции между признаками. Выбор признаков и их число в каждом конкретном случае определяют с учетом поставленной задачи, а сами признаки, включая продуктивность и экологическую устойчивость, оценивают в потомстве отборов. В целом, роль сочетания методов адаптивной селекции и трансгеноза в формировании величины и качества урожая, а также средоулучшающих и ресурсовосстанавливающих функций агроэкосистем в предстоящий период, может не только существенно возрасти, но и оказаться решающей при целенаправленном управлении наследственностью и изменчивостью культурных растений.
При оценке возможностей генетической инженерии важно считаться с теми ограничениями и опасностями, которые вытекают из законов генетической и экологической изменчивости живых организмов. Известно, что генетическая сложность цветковых растений на много порядков выше, чем бактерий. При этом барьеры, обусловливающие половую несовместимость и инконгруэнтность у высших растений, весьма многочисленны и вовсе не исчерпываются известными презиготическими и постзиготическими механизмами.
Признавая большие возможности генетической инженерии в селекции растений, особенно в плане преодоления барьеров несовместимости любого уровня, следует учитывать и ограничения, обусловленные следующими причинами:
1. Полигенность онтогенетических признаков. Большинство хозяйственно ценных и адаптивно значимых признаков являются полигенными по своей природе; они контролируются коадаптированными в масштабе хромосом, генома и даже идиотипа ядерными и цитоплазматическими детерминантами; из более чем 50 тыс. генов, контролирующих идиотип высшего растения, лишь у некоторых видов изучены 200-300 генов. Большинство же адаптивно и хозяйственно значимых полигенных признаков остаются генетически не идентифицированными и биохимически не охарактеризованными: методы генетической инженерии разработаны пока только для сравнительно небольшого числа культур и т.д. Наиболее распространенной ошибкой является отождествление гена с признаком. Однако именно на этом базируется рабочая концепция трансгеноза как метода «переноса генов». Между тем любой ген - это лишь одна из важнейших, но не единственная предпосылка проявления признака, в т.ч. его пенетрантности, экспрессии, плейотропных эффектов и т.д.
2. Неопределенность конечного результата трансгеноза. Эта ситуация обусловлена рядом причин:
- отсутствием методов сайт-направленной интеграции генов или вставки интродуцируемых генов в определенный сайт ДНК-хозяина;
- быстрым выходом из строя ГМ-растений, полученных на основе бактериальных генов, под воздействием систем инактивации чужеродной ДНК;
- народу с чужеродным геном, трансгенные растения нередко содержат Немало «строительного мусора», включающего нежелательные генетические элементы вектора (маркерные гены и пр.);
- невозможностью использования агробактериального вектора (Agrobacteria sрр.) для переноса генов с помощью Ti-плазмид в однодольные растения, к которым принадлежат многие хозяйственно ценные виды;
- необходимостью поиска генных векторов для хлоропластов и митохондрий, т.к. Ti-плазмиды переносят гены исключительно в ядро.
Остается также неисследованным влияние трансгеноза на экспрессию генов хозяина (реципиента); место интеграции ДНК в геноме хозяина при безвекторном варианте переноса оказывается случайным; возможны феномены запуска (индукции) непрогнозируемых событий «инсерционного» мутагенеза, усиления вариабельности трансгенной экспрессии, а также проявление нежелательных плейотропных эффектов трансгена. Опасность случайности генно-инженерных последствий связана и с тем, что чужеродные гены могут активировать «молчащие» гены, а также индуцировать эндогенные системы мейотической и митотической рекомбинации.
3. Элиминация трансгена или его экспрессии. Каждый вид, организм и даже клетка имеют мощную противоинформационную защиту (системы узнавания и репарации, подавляющие функционирование экзогенной ДНК). Кроме того, у высших эукариот действует весьма сложная и многоэшелонированная регуляция экспрессии генома (включающая транскрипционный и посттранскрипционный уровни), причем каждый уровень многократно задублирован. Наличие этого механизма, с одной стороны, предотвращает получение эволюционно неапробированных генетических вариантов, т.е. усиливает биобезопасность трансгеноза, а с другой - сдерживает получение нетрадиционных адаптивно значимых генетических вариантов, что является главной задачей самой генетической инженерии и селекции в целом.
4. Опасность глобального нарушения экологического равновесия естественных и антропогенных экосистем. Широко известны многие нетрадиционные пути обмена генетической информацией между организмами, принадлежащими к разным систематическим группам: трансдукция (встраивание и перенос вирусом фрагментов чужеродной ДНК), трансформация (естественная или искусственная передача признаков и ДНК от одного организма к другому), обратная транскрипция и др. В числе природных векторов, способных переносить информацию от одного вида к другому, - плазмиды, вирусы, транспозоны, инсерции. Например, плазмиды могут переносить самые различные признаки - от патогенности грибов до фертильности или стерильности растений. Подробно исследован перенос генов из бактерий в грибы, растения и клетки млекопитающих. В результате возможно не только локальное, но и глобальное нарушение экологического равновесия в естественных и антропогенных экосистемах. Определенную опасность представляет и неконтролируемое распространение семян самих трансгенных растений.
В настоящее время широко используют устойчивые к вредителям трансгенные растения, в т.ч. с высоким содержанием Bt-токсина, который может переноситься с пыльцой и фитофагами в другие организмы экосистемы. Попадая в ризосферу, Bt-токсин способен накапливаться в почве, оказывая влияние на соответствующий биогеоценоз. Трансгенные культуры, устойчивые к патогенам, как впрочем и обычные устойчивые сорта, существенно ускоряют появление новых, более вирулентных штаммов и вредоносных рас. Возможен также прямой перенос генов устойчивости от трансгенных растений к диким сородичам. В результате неконтролируемого переноса трансгенов, появления устойчивых к гербицидам и эндотоксинам вредоносных видов, снижения биологического разнообразия агроценозов может быть существенно нарушено экологическое равновесие в агроэкосистемах и агроландшафтах. Неслучайно, например, в США для предотвращения или снижения темпов естественного отбора вредных насекомых, устойчивых к Bt-токсинам, создают «убежища» для восприимчивых к Bt-токсинам фитофагов из обычных (нетрансгенных) сортов той же культуры.
5. Опасность уменьшения биологического и генетического разнообразия экосистем. Все большие масштабы использования ГМ-растений требуют более тщательного рассмотрения вопроса о связи биологического разнообразия агроэкосистем с их генетической и экологической уязвимостью. Известно, что непрерывное использование лучших сортов в качестве исходного селекционного материала приводит к концентрации в селекционном пуле генов, полученных из ограниченного числа коммерческих источников. Последние в большинстве случаев не включают представленные на уровне соответствующего вида разные аллели того или иного признака. Генетическое разнообразие, возможно, будет снижаться также по мере того, как трансгенные сорта начнут занимать еще большие площади. В результате генетическая база некоторых важнейших видов растений может оказаться крайне узкой, что неизбежно повысит их экологическую уязвимость, в т.ч. опасность массового поражения агрофитоценозов вредными видами.
6. Монополизация биотехнологического бизнеса. Международные корпорации (Монсанто, Дау АгроСаенсес, Сингента и др.), в которых сосредоточена основная часть работ по генетической инженерии растений, стремятся к монопольному контролю за рынком ГМ-сортов, а следовательно, и за рынком продовольствия. Монополизация в области биотехнологического бизнеса, в т.ч. собственности на трансгенные сорта (эксклюзивные права на сою как культуру, семена и разновидности этого растения; создание частных банков генов и т.д.), при которой получение прибыли является самодовлеющим фактором, может иметь крайне[ отрицательные последствия для всего мирового сообщества.
7. Экологическая опасность трансгенных растений. Наибольшую тревогу ученых, промышленников и законодателей вызывает использование трансгенных растений в полевых условиях (спонтанный перенос генов), а также употребление конечных продуктов трансформированных (трансгенетически модифицированных) растений. В частности, особую опасность представляют аллергические реакции человека на ГМО. Уже идентифицированы сотни индукторов аллергии, от которой страдает около 10% населения мира. Поскольку аллергенный потенциал привнесенного с помощью трансгеноза белка в растение-реципиент обусловлен большим числом факторов, применение даже всех имеющихся на сегодня методов тестирования аллергенности не может дать полную гарантию пищевой безопасности ГМ-продукта. Более того, широко используемые сельскохозяйственные растения содержат более десятка тысяч различных белков, часть из которых изначально является аллергенами.
Обычно при обосновании безопасности использования ГМО, в т.ч. трансгенных растений, ссылаются на аналоги, происходящие в природной среде (спонтанное скрещивание между близкородственными видами растений; перенос генов между видами с помощью плазмид, вирусов и пр.). Вместе с тем при обсуждении примеров горизонтального переноса генов обычно замалчивается тот факт, что наряду с положительными имеются и негативные примеры указанных процессов.
8. Плейотропный эффект трансгенов и резистентность фитофагов к инсектицидным Сrу-белкам. К числу опасностей широкого использования ГМ-растений относят возможность влияния целенаправленного изменения содержания какого-либо одного белка на изменение содержания других белков. Показано также, что в полевых условиях устойчивая к глифосату трансгенная соя неожиданно оказалась чувствительной к действию высоких температур. Широкое использований трансгенных растений, обеспечивающих устойчивость к вредным насекомым за счет синтеза специфических белковых токсинов (эндотоксины Bt), а также протеолитических ферментов, осложняется крайне низкой эффективностью экспрессии интродуцированных генов вследствие нестабильности матричной ДНК. Так, обычно на долю накопленного Сrу-протеина приходится лишь 0,0002-0,002% от общего количества растворимых протеинов, которых, как правило, недостаточно для защиты растений от вредителей. Поэтому, в соответствии с требованиями Агентства по охране окружающей среды США, в Bt-сортах содержание энтомотоксинов должно быть достаточно высоким для эффективного уничтожения наиболее вредоносных фитофагов. И все же если учесть, что к настоящему времени уже известно более 500 видов вредителей, популяции которых обладают устойчивостью к инсектицидам, то вероятность преодоления фитофагами устойчивости Bt-защищенных сортов и гибридов также достаточно велика. Кстати, использование Bt-устойчивых сортов не освобождает фермеров от необходимости проведения всех остальных мероприятий по борьбе с вредителями, устойчивыми к Сrу-протеину.
В целом, степень риска при использовании трансгенных организмов следует оценивать с учетом долговременных интересов жизнеобеспечения всего общества. Бесспорно, произвольная изменчивость высших растений ограничивается «системой саморегуляции», и в этом одна из эволюционных гарантий безопасности использования методов трансгеноза в селекции растений. В то же время нельзя отрицать наличие определенного биологического и экологического риска при широком использовании трансгенных организмов. Показано, например, что растительные остатки трансгенных культур могут оказывать влияние как на генетическую структуру и динамику численности популяций почвенной биоты, так и на функционирование различных структур и механизмов биоценотической саморегуляции агроценозов. Само же использование трансгенных растений требует не только модифицированных технологий возделывания культур, но и значительно более высокого уровня агроэкологического мониторинга, маркировки трансгенной продукции, оснащения соответствующим аналитическим оборудованием санитарных служб страны и т.д.
Следует также учитывать, что ДНК-технологии представляют собой активное вмешательство человека в эволюционное развитие биосферы, последствия которого во многом пока остаются неясными. Вот почему, в соответствии с Национальной стратегией сохранения биологического разнообразия России, принятой на Национальном форуме в 2001 г., важнейшей задачей является «предотвращение распространения генетически измененных форм живых организмов, используемых в биотехнологиях, в открытые агроэкосистемы и природные экосистемы». Хотя методы генетической инженерии и расширяют возможности управления наследственностью и изменчивостью сельскохозяйственных культур, они всегда будут оставаться лишь дополнительным, но не замещающим фактором в арсенале адаптивной системы селекции растений.
Современная селекция растений, история которой насчитывает более 10 тыс. лет, впитала в себя не только эмпирический опыт многих поколений безымянных селекционеров, но и достижения в области синтетической теории эволюции, физиологии, биохимии, цитогенетики, генетики, цитологии, экологии, фитоценологии и других фундаментальных наук. Именно синтетическая направленность в развитии селекции как науки позволила ей успешно преодолеть многочисленные «вызовы» XX столетия (демографический «взрыв», эпифитотии, наращивание техногенных средств интенсификации, освоение неблагоприятных и даже экстремальных территорий и пр.), обеспечив практически непрерывное повышение урожайности сельскохозяйственных культур.
Бесспорно, с появлением методов генетической инженерии возможности человека в «управлении формообразовательным процессом по произволу» необычайно возросли. Однако весь исторический опыт развития селекции, а также особенности методов самой генной инженерии свидетельствуют о том, что единственная возможность эффективного использования последней лежит на пути интеграции соответствующих методов и подходов. Необходимость таковой вытекает не только из ограниченных возможностей самой генной инженерии, но и основополагающей роли громадной функционирующей сети и инфраструктуры селекционных центров в обеспечении эффективной системы сортосмены, сортообновления и семеноводства. В частности, наряду с известными требованиями по мобилизации генофонда растений, базирующимися на сборе, сохранении, изучении и вовлечении в селекционный процесс генетических доноров не только онтогенетической, но и филогенетической адаптации, исключительно важно в системе национальных генбанков (в т.ч. в ВИРе) создать и коллекции трансгенных растений. Естественно, что при этом должна быть обеспечена необходимая экологическая изоляция, т.е. соблюдены все меры предосторожности и безопасности. Важность создания такой коллекции вытекает из целесообразности использования некоторых трансгенных форм в качестве гендоноров искомых хозяйственно ценных признаков при скрещивании с уже адаптированными к местным условиям сортами, а также проведения соответствующего экологического мониторинга на самих трансгенных сортах. Например, после широкого распространения трансгенных гибридов кукурузы, обладавших Bt-устойчивостью к вредным видам, были обнаружены популяции кукурузного мотылька, устойчивые к Bt-токсину. Кроме того, должна быть проведена полная ревизия существующих генетических коллекций растений с целью выявления среди них трансгенных форм и обеспечения их репродуктивной изоляции.
Вместе с тем, как и любое другое крупномасштабное новшество, генетическая инженерия наряду с достижениями несет с собой и опасности. В связи с этим уместно вспомнить слова французского социолога П. Бурдье: «Производство активно развивается и становится эффективным только в том случае, когда оно с самого начала внушает веру в ценность того, что собирается производить». Вот почему среди широких возможностей генной инженерии возможно и нужно выделить как заведомо положительные аспекты, так и те, практическая реализация которых преждевременна и даже опасна. Генетическая инженерия в корне меняет возможности человека в управлении формообразовательными процессами живых организмов, делая их практически беспредельными, что может быть использовано не только в целях добра, но и зла. В то же время генная инженерия позволяет значительно расширить сферу поиска генетических доноров хозяйственно ценных и адаптивно значимых признаков, причем не только среди высших растений, но и всего биологического разнообразия, включая микроорганизмы и пр. Это особенно важно для тех видов культивируемых растений, имеющийся генофонд которых беден или не имеет необходимых гендоноров.
Очевидно, что изначальная проблематичность широкого распространения генетически модифицированных растений требует глубокого осмысления этого процесса на основе разработки соответствующих критериев потенциального риска, базирующихся на общебиологических закономерностях, интеграции с другими областями знаний и, наконец, выбора оптимальных возможностей широкого распространения конечного продукта. Следовательно, должно быть построено соответствующее дерево логически связанных проблем, которые необходимо свести к уже известным составляющим или по крайней мере использовать соответствующие модели. Из истории науки следует, что нетрадиционность возникших проблем и предлагаемые способы их решения вызывают не только сомнения, но и сопротивление. Поэтому вполне резонно замечание Root-Bernstein о том, что, как задавать вопросы природе и о чем - является центральным вопросом самой науки. Разумеется, это вовсе не означает игнорирования мнения общественности. И все же поставить критические вопросы по обсуждаемой проблеме могут только ученые.
Действительно ли, как утверждают некоторые авторы, «традиционное ведение сельского хозяйства сходит с дистанции»? Возможен ли в обозримом будущем полномасштабный переход к основанным преимущественно на биотехнологии сельскому хозяйству и производству пищевых продуктов? Большинство исследователей на эти вопросы отвечают отрицательно. В их числе и ученые, непосредственно занятые в агропромышленном комплексе.
Радужные надежды на биотехнологию, в т.ч. генную инженерию, и многообещающие заявления их апологетов позволяют значительной части общества уклоняться от решения кардинальных научных, социально-экономических и экологических проблем вообще, а в сельском хозяйстве в особенности. Возможности «гибридизации без границ» вовсе не дают оснований для безграничных фантазий и спекуляций. В то же время это позволяет однозначно считать, что и биотехнология находится в ряду бесконечного пути попыток «подчинения природы», а также перераспределения контроля над исчерпаемыми ресурсами Земли и продовольствием. Вот почему ее упрекают в экологической и социальной агрессивности. Именно поэтому вопрос и состоит в том, бороться ли с глобальным изменением климата, изничтожением лесов и голодом или же «сотрудничать» с изменениями окружающей среды, беря на вооружение биотехнологию и генную инженерию, не задаваясь вопросом об эволюционных, экологических и медико-биологических последствиях широкого распространения генетически модифицированных организмов. Между тем самая главная мысль XXI столетия, как справедливо считает Райков, состоит в неуничтожении себя и ближнего (и не только ближнего, но и дальнего).