Каким видам воздействия подвергают растения при мутагенезе

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 19.09.2024

В статье обоснована актуальность проблемы влияния химических соединений на адаптацию растений. Обсуждаются возможности и результаты использования мутаций в повышении разнообразия растений. Мутационный процесс, исполняя роль элементарного эволюционного фактора, происходит постоянно на протяжении всего периода существования жизни, а отдельные мутации возникают многократно у разных организмов. Мутации, спонтанные или естественные, а также индуцированные, являются основой наследственной изменчивости всех живых организмов. Способность многих факторов внешней среды вызывать генные, хромосомные, геномные, плазменные и пластомные мутации эффективно используется в фундаментальных исследованиях по общей биологии, что существенно расширяет генотипическое разнообразие наследственных структур в организмах. Используя воздействие различных факторов среды, среди которых наиболее эффективными оказались ионизирующие излучения, ультрафиолетовые лучи, многие химические соединения, можно искусственно вызывать мутации и влиять на состояние наследственных структур организмов. Наиболее опасными естественными мутагенами окружающей среды являются нитрозосоединения: окислы азота, нитраты, нитриты, нитрозоамины. Установлено мутагенное влияние ионов тяжёлых металлов, перекиси водорода, антибиотиков, пестицидов и других химических веществ. С середины прошлого столетия и до настоящего времени резко обострились проблемы, связанные с химическим загрязнением биосферы. Необходимо расширять масштабы поиска эффективных приемов охраны окружающей среды, ставить вопрос об изучении генетического действия мутагенов в небольших концентрациях. Необходимо изучать воздействие химических соединений на посевные качества семян, рост и развитие растений, выраженность количественных признаков растений, расширить исследования по выявлению мутагенного эффекта применяемых пестицидов.


1. Степановских А.С. Общая экология: учебник для вузов. – 2-е изд., доп. и перераб. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2015. – 687 с.

2. Биология: учеб. для мед. спец. вузов: в 2-х кн. Кн. 2 / В.Н. Ярыгин [и др.]; под ред. В.Н. Ярыгина. - Изд. 9-е, стер. - М.: Высш. шк., 2008. - 334 с.

3. Захваткин Ю.А. Основы общей и сельскохозяйственной экологии: методология, традиции, перспективы. – Изд. 2, перераб и доп. - М.: URSS, 2013. - 352 с.

4. Жученко А.А. Адаптивный потенциал культурных растений (эколого-генетические основы). Теория и практика: в 3-х тт. - М.: Агрус, 2008. - 816 с.

5. Laurence Loewe, William G. Hill The population genetics of mutations: good, bad and indifferent Phil. Trans. R. Soc. B 365, 2010, p. 1153–1167.

6. Рапопорт И.А. Химический мутагенез: проблемы и перспективы / И.А. Рапопорт, И.Х. Шигаева, И.Б. Ахматуллина. Алма-Ата: Наука Каз. ССР, 1980. – 320 с.

9. Babich H. The mediation of mutagenicity and clastogenicity of heavy metals by physicochemical factors. Environ.res, 1985, Vol. 37, № 1, p. 253.

10. Berlin E.N. Effect of hydrogen sulfide on the mutagenicity of H2O2 in S. typhimurium, Strain TA 102. Mut. Res, 1986, Vol. 175, № 1, p. 5.

11. Nakajima T. Stabiliti of plasmids in mutagen treatments of streptomycin-dependent strain E.coli. Mut. Res., 1976, Vol. 38, № 5, p. 344.

12. Rehman S. Effect of chemical mutagens on chromosomes of wheat (Triticum aestivum L.), variety 'Dirk'. M. Sc. (Hons) Agric. Thesis. Peshawar Univ., 1967, p. 71-73.

13. Haenzel H.D., Ross J.G. and Huang C.C. Irradiation induced mutations in a colchicine reactive genotype in sorghum. Crop Sci., 1963, no. 3, p. 242-245.

14. Montalvan R., Ando A. Effect of gamma-radiation and sodium azide on quantitative characters in rice (Oryza sativa L.). Genet Mol Biol., 2005, no 2, p. 117–126.

15. Arulbalachandran D., Mullainathan L., Velu S. Screening of mutants in blackgram (Vigna mungo (L.) Hepper) with effect of DES and COH in M2 generation. Journal of Phytology, 2009, p. 213–218.

16. Dhanavel D., Pavadai P., Mullainathan L., Mohana D., Raju G., Girija M., Thilagavathi C. Effectiveness and efficiency of chemical mutagens in cowpea (Vigna unguiculata L.). Walp. Afr J Biotechnol., 2008, no. 7, p. 4116–4117.

17. Ganapathy S., Nirmalakumari A., Senthil N., Souframanien J., Raveendran TS Isolation of macromutations and mutagenic effectiveness and efficiency in little millet varieties. World J Agric Sci., 2008, no. 4, p. 483–486.

19. Эйгес Н.С. Новый сорт озимой мягкой пшеницы Солнечная, полученный с использованием метода химического мутагенеза И.А. Рапопорта / Н.С. Эйгес, Г.А. Волченко, С.Г. Волоченко и др. // Инновационные технологии в АПК: сб. ст. 4-й междун. науч.-практ. конф. Пенза, 21-22 марта, 2016. - Пенза, 2016. - С. 124-130.

20. Кротова Л.А. Эколого-генетическая роль химических мутагенов в повышении генотипической изменчивости при создании сортов мягкой пшеницы в условиях Западной Сибири: автореф. дис. … докт. с.-х. наук. - Тюмень, 2013. - 32 с.

21. Белецкая Е.Я. Создание селекционного материала мягкой пшеницы на мутантной основе, адаптированного к условиям Западной Сибири / Е.Я. Белецкая, Л.А. Кротова // Стратегии устойчивого развития национальной и мировой экономики: м-лы междун. науч.-практ. конф. (Челябинск, 10 ноября 2015 г.). – Челябинск: Аэтерна, 2015. - С. 34-38.

22. Khan M.H., Tyagi S.D. Studies on effectiveness and efficiency of gamma rays, EMS and their combination in soybean (Glycine max (L.) Merrill). J. Plant Breed. Crop Sci., 2010, p. 175–180.

23. Shah T.M., Mirza J.I., Haq M.A., Atta B.M. Induced genetic variability in chickpea (Cicer arietinum L.). II. Comparative mutagenic effectiveness and efficiency of physical and chemical mutagens. Pak J Bot., 2008, no. 40, p. 605–613.

24. Girija M., Dhanavel D. Mutagenic effectiveness and efficiency of gamma rays, ethyl methane sulphonate and their combined treatments in cowpea (Vigna unguiculata L. Walp). Global J Mol Sci., 2009, no. 4, p. 68–75.

25. Tamina Begum, Tapash Dasgupta. A comparison of the effects of physical and chemical mutagens in sesame (Sesamum indicum L.). Genetics and molecular Biology, 2010, vol. 33, no. 4, p.761–766.

26. Яшутин Н.В. Биоземледелие: научные основы, инновационные технологии и машины: монография / Н.В. Яшутин, А.П. Дробышев, А.И. Хоменко. – Барнаул: Изд-во АГАУ, 2008. - 191 с.

27. Nuyttens D., Devarrewaere W., Verbovenb P., Foque D. Pesticide-laden dust emission and drift from treated seeds during seed drilling: a review. Pest Manag Sci, 2013, no. 69, p. 564–575.

В теории биологической эволюции центральное место занимает принцип адаптации видов к среде их обитания. Адаптация означает приобретение видами морфологических, физиологических, поведенческих и других особенностей, позволяющих более эффективно использовать ресурсы природной среды, сохранять оптимальную численность [1], противостоять воздействиям экологических факторов, предъявляемых средой обитания [2].

Экологический фактор – это любое условие среды, на которое живое реагирует приспособительными (адаптационными) реакциями. Экологические факторы чрезвычайно разнообразны по происхождению, характеру действия на живые организмы, времени воздействия и другим особенностям. Они никогда не действуют изолированно, а всегда комплексно [3].

Приспособленность растений к новым условиям среды достигается за счёт модификационной и генотипической изменчивости. С помощью модификационной изменчивости растения приспосабливаются к наиболее значимым в процессе их индивидуального развития условиям среды. Генотипическая гибкость популяции и отбор обеспечивают приспособление к долговременным изменениям факторов внешней среды [4; 5].

В природе создается огромное разнообразие признаков в системах живых организмов благодаря возникновению мутаций. Это составляет материальную основу для действия естественного отбора, для эволюционного процесса. Спонтанно возникающая изменчивость представляет богатый материал для действия естественного отбора в процессе эволюции. Его можно эффективно использовать, создавая с помощью искусственного отбора новые, обладающие набором хозяйственно-ценных признаков сорта растений, породы животных, штаммы микроорганизмов [6].

Использование ионизирующего излучения, ультрафиолетовых лучей, многих химические соединений позволяет значительно повысить частоту мутирования генов, генотипическую и фенотипическую изменчивость признаков, достичь резкого повышения эффективности искусственного отбора и интенсивности селекционного процесса [7].

Химические мутагены по сравнению с радиационными обладают большей упорядоченностью действия, образуют широкий спектр генетических изменений, обладают большей избирательностью, вызывают резкое возрастание выхода ценных для селекции мутаций. Преобладающее большинство химических мутагенов появилось в результате специальных поисков. По механизму действия химических веществ выделяют девять основных классов химических мутагенов: алкилирующие соединения, перекиси, альдегиды, гидроксиламины, азотистая кислота, антиметаболиты, в том числе аналоги азотистых оснований, соли тяжёлых металлов, акридиновые красители, ряд веществ, различных по химическому составу: уретан, гидроксиламид, алкалоиды, свободные радикалы, некоторые лекарственные вещества, гербициды, инсектициды [8].

Мутагенное действие химических соединений испытано на различных генетических системах: насекомых, млекопитающих, растениях, микроорганизмах [6]. Установлено мутагенное влияние пестицидов, нитритов, ионов тяжёлых металлов [9], перекиси водорода [10], антибиотиков [11] и других химических веществ.

И.А. Рапопорт с соавторами (1980) разделяют химические мутагенные факторы на нуклеотид-аналоги и неаналоги (или основные). Аналоги вызывают мутации не сразу, при последующих актах генной репликации, и спектр мутаций, ими вызываемых, беднее спектра основных мутагенов. Нуклеотид-аналоги, несмотря на скромную мутагенную активность, привлекают внимание исследователей как тонкий инструмент в изучении ряда биологических процессов, включая систему синтеза ДНК [6; 7].

Среди мутагенов неаналогового типа наиболее обширная группа алкилирующих соединений, к которым относятся этиленимин, диметилсульфат, диэтилсульфат, нитрозо-этилмочевина, нитрозодиметилмочевина, нитрозодиэтилмочевина, 1,4-бисдиазоацетилбутан и др. Высокую мутационную способность алкилирующих соединений на примере этиленимина в 1939 году доказал И.А. Рапопорт, на примере иприта - в 1940-1941 гг. Сущность мутагенного действия алкилирующих соединений связана с тем, что они при реакциях метилирования, этилирования и т.д. являются источником введения в молекулы ДНК таких радикалов, как метил (СН3), этил (С2Н5), пропил (С3Н7) и других [8].

Алкалоид клубнелуковиц безвременника великолепного (Colchicum speciosum Stev.) –колхицин – химический мутаген, хорошо известный своей полиплоидизирующей способностью, был использован для индукции изменений во многих видах растении. Рехман (1967) обнаружил, что концентрации колхицина 0,005% малоэффективна в производстве вариаций на пшенице, но более высокие концентрации вызывают карликовость [12]. Колхицин способен влиять на некоторые метаболические процессы, увеличивая скорость ферментативных реакций пропорционально его концентрации. Хайнзель (1963) сравнил результаты использования колхицина с результатами облучения и отметил, что при облучении мутируют отдельные гены внутри растения, что часто приводило к разрушению хромосом. Колхицин, в отличие от облучения, продуцировал много жизнеспособных мутантов [13].

Успех работы в экспериментальном мутагенезе во многом зависит от правильно выбранной дозы мутагена, экспозиции, условий обработки и выращивания мутантов.

Нитрозосоединения имеют широкое распространение в компонентах окружающей среды: почве, воде, воздухе, растениях. Они могут образовываться в растениях при наличии предшественников: аминов, амидов, нитратов, нитритов. Многие из нитрозосоединений обладают канцерогенным действием даже в небольших концентрациях при длительном поступлении с продуктами питания [18].

Для ряда сильных мутагенов характерна отчётливая корреляция мутагенных и канцерогенных свойств [7]. У многих мутагенов из класса алкилирующих соединений высокая генетическая активность совмещается с высокой канцерогенностью, а для ряда мутагенов характерна и канцеролитическая активность [6].

При применении мутагенных факторов возможно нарушение отдельных отрицательных корреляций, существующих между содержанием белка и его аминокислотным составом, между размером семян и содержанием белка, между продуктивностью и белковостью зерна. Под действием химических мутагенов у пшеницы получено большое разнообразие макромутаций: хлорофильные мутации, морфологические мутации листьев – спиральная скрученность листовой пластинки [19], мутации по срокам созревания и устойчивости к заболеваниям [20].

Как прямое использование мутантов, так и включение их в скрещивания позволили существенно повысить уровень генетического разнообразия яровой и озимой пшеницы за счет рекомбинации генных комплексов, реорганизовать генотип растений в нужном направлении [21].

Положительный эффект любого мутагена в селекции растений зависит не только от его мутагенного действия, но также от его мутагенной эффективности. Эффективный мутагенез является продуктом максимальных желательных изменений, сопровождаемых наименее возможными нежелательными изменениями. Действенность и эффективность являются двумя различными свойствами мутагенов 22.

Действенность обычно означает скорость точечных мутаций относительно дозы, тогда как эффективность относится к скорости точечных мутаций относительно других биологических эффектов, индуцируемых мутагеном, и считается мерой повреждения. Таким образом, два агента могут быть равными по мутагенному воздействию потому, что в данной дозе они индуцируют мутацию с той же частотой. Однако когда они расходятся в своей способности производить нежелательные изменения, такие как бесплодие и летальность, тогда можно сказать, что они отличаются мутагенной эффективностью. Важным шагом является выбор эффективного мутагена и дозы, которая будет использоваться. Предпочтительна та доза, которая вызывает большую изменчивость в любой культуре [25].

Хотя ионизирующее излучение все еще остается наиболее подходящим средством для появления изменчивости, некоторые химические вещества являются одинаково и даже во много раз более эффективными и действенными мутагенами [6; 7]. Известно, что для ионизирующих излучений и преобладающего большинства химических мутагенов выраженный мутагенный эффект находится в области средних и высоких доз, вызывающих значительную летальность. Мутагены в низких дозах вызывают стимуляцию жизненных процессов, оказывают модифицирующий, а иногда даже мутагенный эффект. Действие малых доз мутагенов является также одним из составляющих проблемы мутагенной опасности загрязнения окружающей среды. При прогнозировании генетической опасности химических загрязнителей окружающей среды должно учитываться не только их мутагенное действие, но и сложные множественные ненаследственные изменения, вызываемые различными модификационными агентами, также встречающимися в природе [6]. Всё ещё остаются неизвестными последствия воздействия микроколичеств химических соединений на микробную популяцию, высшие растения, животных и человека.

Борьба против болезней и вредителей растений является одной из важных задач современного сельскохозяйственного производства, где используют различного рода пестициды. Многие из них обладают мутагенным или онкогенным эффектом, они не имеют избирательности действия, при их систематическом применении происходит быстрая генетическая адаптация вредителей. Пестициды возглавляют список опасных загрязнителей окружающей среды, поскольку одни из них токсичны, а другие, будучи сами по себе безвредными, могут превращаться, особенно при участии микроорганизмов и метаболитов высших организмов, в ядовитые продукты с канцерогенными и цитотоксическими свойствами [6].

Преимущества использования пестицидов хорошо известны, в том числе и их роль в производстве обильного, разнообразного и недорогого продовольствия. Однако в последние десятилетия наблюдается повышенное критическое внимание общественности и научного сообщества относительно применения пестицидов, возможность сокращения их использования в сельском хозяйстве [26].

Одним из способов борьбы с патогенами является применение пестицидов на семенном материале перед посевом. Системная обработка семян обеспечивает защиту от патогенов почвенного происхождения и насекомых, лиственных болезней. Для обработки семян требуется небольшое количество активного вещества, в отличие от внесения при полевом применении или подкормке. Однако остатки системных пестицидов могут присутствовать в клеточном соке, пыльце растений и нектаре семенных сортов [27].

Анализ действия пестицидов и их доз на всхожесть семян и морфофизиологические особенности проростков культурных растений, на количественные признаки растений даст возможность получения нового исходного материала для практической селекции растений.

Мутагенез — это внесение изменений в нуклеотидную последовательность ДНК (мутаций). Различают естественный (спонтанный) и искусственный (индуцированный) мутагенез.

Содержание

Естественный мутагенез

Естественный, или спонтанный, мутагенез происходит вследствие воздействия на генетический материал живых организмов мутагенных факторов окружающей среды, таких как ультрафиолет, радиация, химические мутагены.

Мутационная теория Х. Де Фриза и С. И. Коржинского

Основные положения мутационной теории Коржинского-Де Фриза можно свести к следующим пунктам [4] :

  1. Мутации внезапны, как дискретные изменения признаков
  2. Новые формы устойчивы
  3. В отличие от наследственных изменений, мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо среднего типа. Они являют собой качественные скачки изменений
  4. Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными
  5. Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследуемых особей
  6. Сходные мутации могут возникать неоднократно

Механизм мутагенеза

Последовательность событий приводящая к мутации (внутри хромосомы) выглядит следующим образом:

  • Происходит повреждение ДНК.
  • В случае, если повреждение произошло в незначащем (интрон) фрагменте ДНК, то мутации не происходит.
  • В случае если повреждение произошло в значащем фрагменте (экзон), и произошла корректная репарация ДНК, или вследствие вырожденности генетического кода не произошло нарушения, то мутации не происходит.
  • Только в случае такого повреждения ДНК, которое произошло в значащей части, которое не было корректно репарированно, которое изменило кодировку аминокислоты, или которое привело к выпадению части ДНК и соединению ДНК вновь в единую цепь — то оно приведет к мутации.

Мутагенез на уровне генома также может быть связан с инверсиями, делециями, транслокациями, полиплоидией, и анеуплоидией, удвоением, утроением (множественной дупликацией) и т. д. некоторых хромосом.

Точечные мутации

Хромосомные мутации

  1. Инверсии
  2. Реципрокные транслокации
  3. Делеции
  4. Дупликации и инсерционные транслокации

Геномные мутации

Ядерные и цитоплазматические мутации

  • Ядерные мутации — геномные, хромосомные, точечные.
  • Цитоплазмотические мутации — связанные с мутациями неядерных генов находящихся в митохондриальной ДНК и ДНК пластид — хлоропластов.

Искусственный мутагенез

Искусственный мутагенез широко используют для изучения белков и улучшения их свойств (направленной эволюции (англ.) ).

Ненаправленный мутагенез

Методом ненаправленного мутагенеза в последовательность ДНК вносятся изменения с определенной вероятностью. Мутагенными факторами (мутагенами) могут быть различные химические и физические воздействия — мутагенные вещества, ультрафиолет, радиация. После получения мутантных организмов производят выявление (скрининг) и отбор тех, которые удовлетворяют цели мутагенеза. Ненаправленный мутагенез более трудоемок и его проведение оправдано, если разработана эффективная система скрининга мутантов.

Направленный мутагенез

В направленном (сайт-специфическом) мутагенезе изменения в ДНК вносятся в заранее известный сайт. Для этого синтезируют короткие одноцепочечные молекулы ДНК (праймеры), комплементарные целевой ДНК за исключением места мутации.

Мутагенез по Кункелю

Для бактериальной плазмиды (внехромосомной кольцевой ДНК) получают уридиновую матрицу, то есть такую же молекулу, в которой остатки тимина заменены на урацил. Праймер отжигают на матрице, проводят его достройку in vitro с помощью полимеразы до кольцевой ДНК, комплементарной уридиновой матрице. Двухцепочечной гибридной ДНК трансформируют бактериальные клетки, внутри клетки уридиновая матрица разрушается как чужеродная, и на мутантной одноцепочеченой кольцевой ДНК достраивается вторая цепь. Эффективность такого способа мутагенеза менее 100 %.

Мутагенез с помощью ПЦР

Полимеразная цепная реакция позволяет проводить сайт-направленный мутагенез с использованием пары праймеров, несущих мутацию (рис. 1), а также случайный мутагенез. В последнем случае ошибки в последовательность ДНК вносятся полимеразой в условиях, понижающих ее специфичность.



Рис. 1. Сайт-направленный мутагенез. Синтезируют пару праймеров, несущих мутацию, и пару праймеров, комплементарных концам нужного фрагмента ДНК. В ходе первых двух реакций образуются фрагменты ДНК с мутацией, которые объединяют в третьей реакции. Полученный фрагмент вставляют в нужную генно-инженерную конструкцию.

Примечания

  1. ↑ Фриз Г. де, Избр. произв., пер. [с франц.], М., 1932
  2. ↑ Коржинский С., Гетерогенезис и эволюция. К теории происхождения видов, СПБ, 1899 (Записки АН. Серия 8. Отдел физико-математич., т. 9, № 2)
  3. ↑Мутационная теория
  4. ↑ С. Г. Инге-Вечтомов. Генетика с основами селекции. М.: Высшая школа. 1989 г. 591 с.
  • Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Мутагенез" в других словарях:

мутагенез — мутагенез … Орфографический словарь-справочник

Мутагенез — (от мутации и . генез), процесс возникновения мутаций под воздействием мутагенных факторов (чаше всего внешней среды физических, химических, реже биологических). Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Главная редакция Молдавской… … Экологический словарь

МУТАГЕНЕЗ — (от мутации и генез), искусственное получение мутаций с помощью физич. или химич. мутагенов. Один из важнейших приёмов эксперим. генетики. В селекции М. используют для получения перспективных мутантов животных, растений и микроорганизмов. Часто… … Биологический энциклопедический словарь

Мутагенез — метод в селекции высших растений и микроорганизмов, который позволяет искусственно получать мутации. Основой мутагенеза являются изменения в молекулах нуклеиновых кислот. По английски: Mutagenesis См. также: Селекция Мутации Финансовый словарь… … Финансовый словарь

Мутагенез — * мутагенез * mutagenesis 1. Процесс возникновения наследственных изменений (мутаций, см.) под влиянием внутренних или внешних, естественных (спонтанный М.) или искусственных (искусственный, индуцированный или экспериментальный М.) мутагенных… … Генетика. Энциклопедический словарь

МУТАГЕНЕЗ — (от мутация и. генез), процесс возникновения в организме наследственных изменений мутаций. Основа мутагенеза изменения в молекулах нуклеиновых кислот, хранящих и передающих наследственную информацию. Методы искусственного мутагенеза используют… … Современная энциклопедия

МУТАГЕНЕЗ — (от мутации и . генез) процесс возникновения в организме наследственных изменений мутаций. Основа мутагенеза изменения в молекулах нуклеиновых кислот, хранящих и передающих наследственную информацию … Большой Энциклопедический словарь

мутагенез — искусственное получение мутаций с помощью физ. или хим. мутагенов. Один из важнейших приемов экспериментальной генетики. В селекции микроорганизмов М. используют для получения высокопродуктивных пром. штаммов. (Источник: «Микробиология: словарь… … Словарь микробиологии

Мутагенез — (от мутация и . генез), процесс возникновения в организме наследственных изменений мутаций. Основа мутагенеза изменения в молекулах нуклеиновых кислот, хранящих и передающих наследственную информацию. Методы искусственного мутагенеза используют… … Иллюстрированный энциклопедический словарь


Обзор

Автор
Редактор

Обратите внимание!

Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

От неосознанного отбора к направленной селекции и генетической модификации растений

Выход из этой ситуации появился с развитием генетической инженерии, которая сделала возможным перенос генов из одного организма в другой.

Различные виды генетически модифицированных растений

В 1994 году появилось первое коммерческое генно-инженерное растение — томат Flavr Savr [1, 4]. Вслед за этим стали активно создаваться трансгенные растения, устойчивые к биотическим и абиотическим факторам среды. (Отметим, что трансгенным считают такой организм, в геном которого искусственно введен ген, который не может быть приобретен при естественном скрещивании.) Ученые нашли необходимые гены устойчивости в геномах бактерий и насекомых и перенесли их в растительные организмы [5]. Обывателю покажется, что это достаточно рискованно, потому что, на первый взгляд, в природе такого быть не может (хотя есть и исключения — например, почвенная бактерия Agrobacterium tumefaciens переносит свои гены в растительные клетки для получения необходимых метаболитов).

Другая проблема, с которой связано получение трансгенных растений, — это использование антибиотиков. Для того чтобы узнать, попал ли интересующий ученых ген в геном растительной клетки, необходим некий маркер (репортер), который отделит клетки с внедрившимся чужеродным геном от неудачных образцов. Такими репортерами и являются гены, кодирующие устойчивость к антибиотикам. Клетки, подвергшиеся изменениям, высаживают на среду с антибиотиком, и, если они остались живы, значит, ген устойчивости проник в их геном, а с ним — и наш целевой ген. Несмотря на то, что трансгенные растения являются мощным фактором развития сельского хозяйства и экономики, возможность их использования провоцирует широкое общественное обсуждение.

Принимая во внимание всеобщую обеспокоенность биологической безопасностью трансгенных продуктов питания, в настоящее время активно разрабатывается новый подход для модификации сортов растений — цисгенез [5–7].

Применение геномного секвенирования сельскохозяйственно-значимых культур, таких как кукуруза, картофель, рис, и разработка эффективных технологий выделения новых генов расширили границы возможностей улучшения сельскохозяйственных культур. В последние десятилетия описан широкий круг генов, кодирующих важные качественные и количественные признаки как самих сельскохозяйственных культур, так и их дикорастущих родственников. Эти гены выделены и перенесены в геномы элитных сортов. Полученные в результате таких манипуляций растения называют цисгенными, чтобы отделить их от понятия трансгенов [5].

Цисгенез — такая технология генетической модификации рекомбинантной ДНК, при которой манипуляция происходит с использованием ДНК того же или близкородственного вида растения, с которым возможен половой процесс [8]. В отличие от трансгенных, такие растения не содержат гены неродственных организмов и гены устойчивости к антибиотикам (рис. 1). Это дает возможность ожидать, что общество с большей легкостью воспримет цисгенные растения, нежели трансгенные. Так, опрос в штате Миссисипи показал, что 81% респондентов готов употреблять в пищу цисгенные растения, в то время как лишь 14-23% согласны на трансгенные [5].

  • Для внедрения в геном растения используются гены любого организма (растения, бактерий, насекомых и др.)
  • Ген редактируется, изменяется
  • Используются маркерные гены
  • Используется ген близкородственного вида, с которым возможно природное скрещивание
  • Все компоненты гена (промотор, интроны и терминатор) сохраняются в природной форме
  • Селекционные маркеры удаляются
  • Ген и его регуляторные элементы могут принадлежать самому растению или видам, с которыми возможно перекрестное опыление
  • Последовательность основных элементов может быть изменена
  • Возможно выключение гена
  • Селекционные маркеры удаляются

Виды изменений генома

Рисунок 1. Изменение генома при классической селекции, трансгенезе и цисгенезе.

Цисгенез = классическая селекция?

Современное состояние вопроса о повышении качества и урожайности сельскохозяйственных растений можно объяснить на примере такой стратегически важной культуры, как картофель.

Представим себе, что у нас есть элитный сорт картофеля, который дает прекрасный — качественный и обильный — урожай, но подвержен инфекционным заболеваниям. А еще нам известно, что есть вид дикого картофеля, который не дает никакого съедобного урожая, но при этом устойчив к болезням. Первым делом мы пытаемся выяснить, что в геноме дикого вида определяет его устойчивость (см. врезку). Возможности современной молекулярной генетики и геномики растений позволяют нам найти тот ген, который отвечает за устойчивость, выделить его открытую рамку считывания и участок ДНК, контролирующий его экспрессию, вырезать их, клонировать и внедрить в геном нашего элитного сорта, не внося никаких кардинальных изменений ни в геном сорта, ни в нуклеотидную последовательность гена, которой мы оперируем. Таким образом, если наши манипуляции прошли успешно, мы получаем исходный элитный сорт картофеля, который так же дает прекрасные клубни, но при этом не подвержен заражению паразитами, и мы не теряем урожай.

Гены устойчивости растений

В отличие от животных, растения не имеют иммунной системы. Тем не менее существование растительных организмов, несмотря на огромное количество патогенов (среди которых вирусы, бактерии, грибы, нематоды и даже другие растения), говорит о том, что им свойственны конкретные механизмы устойчивости. Они определяются работой генов устойчивости, которые позволяют растению отследить появление патогена и запустить механизм защитной реакции. Эти гены были открыты в начале 20 века, а спустя 90 лет — выделены [9].

Согласно одной из основных гипотез, растение имеет ген устойчивости, а патоген несет комплементарный ген авирулентности [10]. Когда продукт гена авирулентности взаимодействует с клетками растения, продукт гена устойчивости растения запускает каскад защитных реакций [11]. Фитопатогенные организмы и их механизмы заражения растений чрезвычайно разнообразны, поэтому удивительно, что все известные гены резистентности кодируют небольшое количество белков, которые имеют общее эволюционное происхождение и содержат общие консервативные участки (домены) [12]. Таким образом, гены устойчивости растений можно искать в геноме резистентных видов по наличию определенных нуклеотидных последовательностей. Для поиска и выделения генов используются специальные молекулярные маркеры и техники (PCR, AFLP, RFLP, RAPD и другие) [13].

Если вы всё еще против генетически модифицированных растений, представим следующую ситуацию: у нас есть элитный сорт картофеля, единственным слабым местом которого является подверженность заболеваниям. Классическая селекция отнимает слишком много сил и времени и не дает надежного результата, а генетически модифицированные растения не внушают доверия. Даже в этой ситуации есть альтернатива! Химическая промышленность изобрела огромное количество разнообразных пестицидов, которые защитят наш картофель от болезней. Этот путь самый простой и самый опасный: загрязнение окружающей среды химическими реагентами может привести к катастрофическим последствиям (см. врезку).

Химические средства для повышения урожайности растений

Рынок химических средств защиты растений в России составляет более $500 млн в год [14]. Гербициды, инсектициды, фунгициды на сегодняшний день являются важным инструментом увеличения объема урожая, так как они борются с сорняками, убивают насекомых, бактерий, грибы, а также других вредителей сельскохозяйственных растений. Но есть и обратная сторона медали. Все эти тонны химических реагентов ежегодно попадают в почву, водоемы и атмосферу. Многие вещества, используемые в качестве удобрений, надолго сохраняются в среде. Так, в водах озера Онтарио в 90-е годы определяли высокие концентрации пестицида мирекс, использование которого было прекращено еще в конце 70-х [15]. И даже если после обработки определенной местности неким веществом, оно через некоторое время перестает там выявляться, это совсем не означает, что оно распалось или растворилось. С током поверхностных и грунтовых вод, с помощью ветра химические молекулы могут переместиться в другие регионы. Так, например, гербицид атразин, используемый для защиты широколиственных растений в сельском и парковом хозяйстве США, повсеместно присутствует там в поверхностных водах. По некоторым данным, до 92% исследованных водоемов США содержат этот пестицид. Поскольку вещество достаточно стойкое и легко растворимо в воде, оно мигрирует и в грунтовые воды и там накапливается.

Еще неприятнее тот факт, что химические соединения могут перераспределяться в природе не только c помощью дождя и ветра, но и внутри живых организмов, а именно — по пищевым цепям. Организмы получают токсичные вещества из воды, почвы, воздуха. Этот процесс называется биоаккумуляцией. В результате наносится вред как самому организму, так и тому, кто его съест.

В США для борьбы с переносчиком голландской болезни, поражающей вязы, — вязовым заболонником Scolytes multistriatus — деревья обрабатывали ДДТ. Часть пестицида попадала в почву, где его поглощали дождевые черви и накапливали в тканях. У поедающих преимущественно дождевых червей перелетных дроздов развивалось отравление ДДТ. Часть из них погибала, у других нарушалась репродуктивная функция — они откладывали стерильные яйца. В результате борьба с заболеванием деревьев привела к почти полному исчезновению перелетных дроздов в ряде регионов США [15].

Еще более интересным процессом является биомагнификация — это увеличение концентрации токсичного реагента в пищевой цепи. Так, для уничтожения комаров на одном из калифорнийских озер применили ДДТ. После обработки содержание пестицида в воде составило 0,02 части на миллион (ppm). Через некоторое время в планктоне ДДТ определялся в концентрации 10 ppm, в тканях планктоноядных рыб — 900 ppm, хищных рыб — 2700 ppm, птиц, питающихся рыбой — 21 000 ppm. То есть содержание ДДТ в тканях птиц, не подвергшихся непосредственному воздействию пестицида, было в миллион раз выше, чем в воде, и в 20 раз выше, чем в организме рыб — первом звене пищевой цепи.

Приведенные примеры касались различных животных, но не стоит забывать, что человек — это тоже биологический вид, который подчиняется общим природным законам. Вся наша пища имеет растительное или животное происхождение, и нужно понимать, что чем больше химических реагентов используется в сельском хозяйстве, тем больше нежелательных соединений попадает в наш организм. Конечно, их концентрации не столь высоки, однако ежедневно они пополняются, и мы подвергаемся их хроническому воздействию.

Другой известный случай произошел в 1971 году в Ираке. Правительством этого государства была закуплена большая партия зерна в качестве посевного материала. Посевное зерно с целью борьбы с грибками подвергалось обработке метилртутью. Однако эта партия зерна случайно попала в продажу и была использована для выпечки хлеба. В результате отравление получили более 6,5 тысяч человек, из которых около 500 погибли [15].

Итак, цисгенные растения, главной целью создания которых является перенесение генов устойчивости в коммерчески успешные сорта, экономят время селекционеров, не требуют применения пестицидов, не нарушают экосистему, затраты на их выращивание минимальны, а урожай максимальный. В 2012 году Европейское агентство по безопасности продуктов питания (EFSA) опубликовало доклад, в котором сравнивался потенциальный вред растительных продуктов, полученных различными способами. В результате был сделан вывод о том, что риски, связанные с употреблением цисгенных растений и сортов, полученных методами классической селекции, сопоставимы [17].


Селекция – наука о создании новых и улучшении существующих сортов растений и пород животных. Она возникла на основе практической деятельности человека в области сельского хозяйства. Существующие ныне культурные растения и домашние животные – результат одомашнивания их диких предков человеком. Культуры выводятся с определенной целью получить необходимое хозяйственное качество, важное для человека.

Самым древнейшим методом селекции следует считать бессознательный отбор. Человек, желая культивировать растения или размножить животных в качестве семенного материала выберет наиболее плодовитых и жизнеспособных особей, с наиболее важными для него хозяйственными качествами (например, среди яйценосных кур он для размножения отберет самых плодовитых здоровых родителей; при выборе растения для получения от него семян он выберет самое крупное растение, с обильным урожаем и т. д.).

Попытки выведения новых пород животных и сортов растений предпринимались еще в древности. В Египте и Месопотамии задолго до новой эры выводили мулов путем искусственного скрещивания осла и лошади, переопыляли финиковую пальму и получали первые гибриды, которые давали большие урожаи по сравнению с их дикими предками.

Селекция приобрела статус науки в 19 веке. Предпосылки этому послужили работы Ч. Дарвина о движущих силах эволюции.

Глубокий анализ мировых растительных ресурсов в свое время был проведен советским генетиком Н.И. Вавиловым. Многочисленные экспедиции дали основания определить центры происхождения многих культурных растений. Вавилов установил 8 таких центров:

Индийский – родина риса, сахарного тростника, цитрусовых;

Среднеазиатский – родина мягкой пшеницы, гороха, бобовых;

Китайский – родина хлебных злаков, проса, гречихи, сои;

Переднеазиатский – родина пшеницы, ржи, многих видов фруктовых деревьев;

Средиземноморский – родоначальник многих овощей;

Абиссинский (Африка) – родина твердых пшениц, ячменя, кофе;

Южноамериканский – дает начало расселению кукурузы, хлопчатника, какао;

Южномексиканский – дал миру картофель и табак.

В этих центрах сосредоточено наибольшее количество сортов, разновидностей, мутаций. Трудами экспедиций Н.И. Вавилова была собрана коллекция, насчитывающая несколько сотен тысяч мировой коллекции растений, что послужило прекрасной базой для выведения новых сортов.

Новые породы домашних животных также выводились с древнейших времен от диких предков. Человек вывел многочисленные виды животных из небольшого числа их предков:

Волки и шакалы – родоначальники собак;

Европейский тур – дал начало крупному рогатому скоту;

Европейский муфлон – предок овец;

Дикий кабан – предок свиней;

Дикая лошадь – предок современных пород лошадей

Индийский петух – родоначальник современных пород кур;

От дикой утки произошли все существующие домашние виды уток и т. д.

В настоящее время селекция животных проводится по тем же принципам, что и селекция растений.

Большой вклад в селекцию растений внес выдающийся селекционеров И.В. Мичурин. В своих работах он использовал три основных форм воздействия на растительные организмы: гибридизацию, воспитание гибрида и отбор.

Гибридизация – метод скрещивания двух сортов растений, с целью получения гибрида, обладающего ценными хозяйственными качествами обоих родителей. Естественно, что в природных условиях возникновение гибрида невозможно (разные виды в природе не скрещиваются между собой), поэтому приходилось преодолевать нескрещиваемость различными методами (например, опыление рыльца пестика смесью пыльцы). И.В. Мичурин скрещивал подобным образом уссурийскую дикую грушу (мелкие плоды, но зимостойкая) и южный сорт (плоды крупные, сочные, но растение теплолюбивое). У гибрида появились нужные селекционеру качества: полученный сорт Бере зимняя выдерживает температуру атмосферы до – 36 °С, давая в осенний период времени хороший урожай крупных плодов. Кроме скрещивания близкородственных форм И.В. Мичурин применял метод отдаленной гибридизации – т. е. скрещивание разных видов и родов растений. Таким образом были получены церападусы (гибриды вишни и черемухи), тернослива (гибрид сливы и терновника) и др. интересные разновидности гибридов.

При воспитании гибридов растительных культур И.В. Мичурин адаптировал молодые саженцы растений к изменениям условий окружающей среды (например воспитание теплолюбивых растений к условиям низких температур). Чаще всего в воспитании использовался метод прививки: сеянец воспитуемого растения прививался к растению-ментору (ментор – растение-воспитатель заданных качеств). Таким образом удалось получить некоторые сорта южных растений, адаптированных к условиям северных регионов.

Отбор – это древнейший метод, который применялся человеком бессознательно и давал хорошие результаты. И.В. Мичурин применял этот метод к семенам гибридов (отбирались семена самые крупные и правильной формы) от самых жизнеспособных и плодовитых растений.

Таким образом, применяя методы гибридизации, воспитания и отбора, Мичурин вывел сотни новых сортов растений, приспособленных к различным климатическим зонам и обладающих поразительной урожайностью, устойчивостью к заболеваниям и высокими вкусовыми качествами плодов.

Методы гибридизации, воспитания и отбора существуют также и в селекции животных. Пример соблюдения этих принципов в селекции животных – работы М.Ф. Иванова по выведению и адаптации новых пород свиней. Применение искусственного осеменения при отдаленной гибридизации позволили получить сильных и выносливых мулов (гибрид кобылицы и осла), архаромериносов (гибрид тонкорунных овец и горных архаров), гибридов яка и крупного рогатого скота, гибридов кур, обладающих поразительной яйценоскостью и т. д., а воспитание способности противостоять местным неблагоприятным факторам окружающей среды дало возможность расселять таких гибридов повсеместно.

Открытия генетики и молекулярной биологии широко применяются для получения новых форм растений, животных, микроорганизмов. В настоящее время применяют 4 основных метода: метод гетерозиса, метод полиплоидии, мутагенез, генная инженерия.

1. Метод гетерозиса

Под гетерозисом подразумевают усиление жизнеспособности за счет скрещивания разных пород животных (или разных сортов растений). В первом поколении гибридов наблюдается мощное развитие. Оно объясняется взаимодействием благоприятных доминантных генов. Подобным образом получено множество сортов растений, обладающих рядом ценных свойств. Метод гетерозиса широко применяется и в селекции животных. Межпородное скрещивание приводит к резкому подъему продуктивности гибридов.

Полиплоидией называют увеличение гаплоидного набора хромосом. На клетки растений, подготовленные к делению, воздействуют специальными веществами. Клетки перестают делиться, однако число хромосом в них увеличивается вдвое, вчетверо и т. д. Такие крупные клетки дают начало полиплоидным растениям: тетраплоиды (4n), гексаплоиды (6n) и т. д. В результате были получены полиплоидные яблони, груши, гречиха, рожь, пшеница, томат и многие другие сорта, приносящие удивительно крупные плоды. Урожайность с одного растения-полиплоида во много раз превышала урожайность его дикого предка.

Метод полиплоидии используется только в селекции растений.

Мутагенез – это метод воздействия на клетки растений различными мутагенами: химические вещества, облучение радиацией и т. д. Эти воздействия изменяют структуру ДНК, и, соответственно, свойства организма. Вредные изменения выбраковываются, а полезные закрепляются и используются в селекции.

В селекции микроорганизмов в основе своей применяют метод мутагенеза. Мутагены изменяют структуру ДНК прокариот, появляются мутантные бактерии с новым характером белков, а значит и признаков.

4. Генная инженерия

Генная инженерия – это совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы. Генетическая инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии.

Биотехнология – использование живых организмов и биохимических процессов в производстве.

С древних времен человек использовал микроорганизмы в таких видах производств, как: хлебопечение, пивоварение, сыроварение, виноделие и др.

В настоящее время, помимо пищевой промышленности, достижения биотехнологии с успехом применяются в сельском хозяйстве – как экологически безопасное средство борьбы с вредителями выращиваемых культур, сорняками, болезнями растений. Разработаны промышленные методы получения аминокислот и белков, используемые в качестве кормовых добавок в животноводстве. Кроме того, специфические штаммы[41] используются для очистки сточных вод: благодаря особому виду бактерий полностью очищаются сточные воды городских канализаций. Возможна очистка вод и от синтетических неразлагающихся отходов за счет специальных искусственных штаммов микроорганизмов, полученных в результате мутагенеза.

В медицине благодаря биотехнологии получены многие разновидности антибиотиков (производятся бактериями и грибами), гормонов, ферментов и других биоактивных веществ. Получение вакцин и антител позволяют предупредить и излечить многие опасные заболевания.

Развитие биотехнологии и генной инженерии позволяют получать ранее недоступные препараты, как например: инсулин, гормон роста человека, интерферон и др. Широкое распространение получили так называемые гибридомы (гибридные клетки) и продуцируемые ими антитела, используемые в качестве уникальных реагентов. Их применение позволяет получать новые данные о функционировании генетического аппарата клеток.

Биотехнология и генная инженерия – науки, которые в современном мире продолжают активно развиваться, постоянно создавая новые открытия и достижения во благо человечеству.

1. Что такое селекция и что она изучает?

2. Приведите примеров центров возникновения современных культурных сортов растений и пород животных.

3. Какими методами селекции (сознательными и бессознательными) пользовались люди в прошлые времена?

4. Какие методы селекции используются в современное время?

5. Какие методы селекции являются новейшими? Какие методы, на ваш взгляд, являются наиболее перспективными в селекции будущего?

6. Что такое биотехнология и генная инженерия? Какие вещества получают при помощи достижений этих наук?

Читайте также: