Суть, теханізт, завдання генної інженери, корисність трансгеннин рослин

Безліч визначень, які розкривають суть генної інженерії, у підсумку зводяться до того, що вона базується на принципах традиційної селекції рослин, за допомогою якої від однієї рос­лини до іншої передається нова властивість через багаточисель-ність її генів (рис.4). Таким чином виводились нові сорти рос­лин у багатьох країнах. Наприклад, видатний біолог І. В. Мі-чурін шляхом підбору сортів фруктів-опилювачів та родинних пар опиленням (схрещенням) вивів більше 300 сортів яблук, груш, вишень, сливи, винограду, горобини, малини та ін.

Опиленням однієї рослини іншою (статевий шлях) можна створити новий сорт з необхідними властивостями.

передається

бажании         багато генів

рослина-донор           комерційний  новий сорт

сорт рослини рослини

Рис. 4. Традиційна селекція рослин [4]

Класична селекція передбачає з' єднання ознак двох сортів рослин для того, щоб отримати третій сорт з новими ознаками. Це відбувається тривалий час.

На відміну від класичної селекції генна інженерія дає мож­ливість ввести у генетичний апарат один ген, його фрагменти або комбінації генів за допомогою, наприклад, мікроін' єкції ДНК, електричного струму. Мікроін'єкція здійснюється за до­помогою струшування клітин у суспензії мікроголок. Існує технологія, яка ґрунтується на обстрілі тканин мікрочастинка­ми золота або важких металів. Тобто генна інженерія значно пришвидшує процес.

Підбирається і свідомо вводиться у рослину ген з відомими властивостями. Окремий ген може сприяти збагаченню, на­приклад, рису каротином, злаків і бобових — поліненасиче-ними жирними кислотами, картоплю — зробити стійкою до фітофтори і вірусних захворювань, колорадського жука, збага­тити крохмалем; полуниця може зберігатись протягом 30 діб; крохмаль — отримати із заданими фізико-хімічними власти­востями; злаки — із збалансованим спектром амінокислот та ін.

Як трансформується один ген у поліпшений сорт рослин, показано на рис. 5.

бажаний         бажаний трансформований

рослина-донор           комерційний поліпшений

сорт рослини сорт рослини

Рис. 5. Трансформація гену у рослину [4]

Крім трансформації генів інших рослин, можуть бути гени бактерій, тварин і, навіть, людини. Так, плазміду бактерії А. тумефацієнс можна вводити в кукурудзу, рис, пшеницю і, таким чином, уникнути утворення у них пухлин. Це поясню­ється тим, що зі складу Ті-плазміди А.тумефацієнс генетично-інженерним методом вилучають гени, відповідальні за виник­нення пухлин, і цю плазміду використовують як вектор для перенесення в рослини нових потрібних генів (рис .6, 7).

Плазміда

Бактерія          Під впливом  Новий ген із  Генно-моди-  Поділ клітин

З ДНК росли-            відповідного  необхідними  фіковану         надалі прохо-

ни вилучають            ферменту із    властивостями плазміду       дить з успад-

плазміду (зам-            плазміди ви-  вживляють у  вживляють у  кованим но-

кнуту кільце- лучають час-  плазміду         ДНК рослини            вим геном

ву молекулу   тину її струк-

ДНК) тури

1. Agrobacterium пшіе£асіепс — штучно виведений ген Рис. 6. Схема генетичної модифікації ДНК рослин

Суть використання Ті-плазміди полягає у тому, що з неї вирізають Т-ДНК і вставляють її у вектор, наприклад, рБЬІ 322. Плазміду розмножують і вставляють чужорідний ген все­редину Т-ділянки, потім знову розмножують і вводять у клі­тини А. тумефацієнс, які несуть повну Ті-плазміду. Внаслідокподвійної рекомбінації[1] між гомологічними ділянками Т-ДНК частина рекомбінантної плазміди, що містить чужорідний ген, включиться в Ті-плазміду, замінивши в ній нормативну Т-ДНК.

Проведено також трансформації гену рослин у ген тварин, у геном лосося — ген форелі, у картоплю, томати, кукурудзу, рис, технічні культури — гени вірусів, метеликів, скорпіонів, теплокровних тварин та ін.

У геном свині вводили ген шпинату (Японія). Ген шпинату сприяє утворенню ферменту РЛ)2, який перетворює насичені жирні кислоти у ненасичену біологічно активну лінолеву кис­лоту. Кількість цієї кислоти збільшується на 20 \%.

З метою збільшення вмісту протеїну у сої гени бразильсь­кого горіха схрестили з генами скорпіона, щоб вона виробила імунітет проти комах і була більшої маси. Людські гени трансплантували у м'ясо свиней. Воно стало більш щільним і набуло солодкуватого присмаку. У геном лосося увели ген ро­сту форелі (США). Риба виросла вагою до 250 кг.

У Гавайському університеті в заморожені сперматозоїди миші трансплантували гени глибоководної медузи. Миші на­були зеленкуватого окрасу і світилися під ультрафіолетовим опроміненням. Зроблено «схрещення» генів риби і помідора з метою отримання морозостійких помідорів. У Голландії виве­дено томати з підвищеним вмістом флавонів — речовин, які, як вважають, гальмують процес старіння організму, захища­ють його від інфаркту міокарда та, ймовірно, від раку. До по­чатку ХХІ століття було вирощено у парниках багатьох кон­цернів більше 500 різних сортів трансгенних рослин.

Прихильники трансгенної інженерії вважають, що сучасні її технології відкривають великі перспективи, тому що росли­ни стають стійкішими до захворювань, шкідників, перепадів температур, пестицидів тощо.

Визначено завдання генної інженерії рослин (рис.8).

Сьогодні структура промислового вирощування рослин у світі за стійкістю така: частка стійких до гербіцидів становить 74 \%, до шкідників — 17 \%, до вірусів, бактерій і грибків — менше 1 \%.

Ріст, розвиток і харчування рослин

Стійкість до вірусів

Стійкість до бактерій і грибків

Стійкість до гербіцидів

Стійкість до шкідників

Стійкість до засухи, засолення грунтів, високих температур

Стійкість до холоду

Стійкість до кислих грунтів

Стійкість до важких металів

Якість продукції

Рис. 8. Основні завдання генної інженерії рослин

За цими даними значну увагу було приділено контролю ро­слин, стійких до гербіцидів. Були клоновані гени, стійкі до п'яти гербіцидів, і за їх допомогою отримано трансгенні сою, кукурудзу, бавовник, картоплю тощо.

Численною групою є трансгенні рослини, стійкі до комах і шкідників. Бактерія Bacillus thuringiensis виробляє токсичний білок (дельта-ендотоксин) для багатьох видів комах. Ген цього білка трансплантують у геном рослин, які не пошкоджуються комахами. Таким чином створено стійкі до комах сою, куку­рудзу, бавовник, до шкідників — картоплю. На створення кар­

топлі, стійкої до колорадського жука, було втрачено 100 млн доларів і знадобилось 16 років.

Створення трансгенних форм, стійких до комах, які нази­вають Вт-рослинами, має, крім комерційного значення і перс­пектив, також екологічний ефект. Відомо, що під час обробки рослин тільки 5—10 \% інсектицидів потрапляють на їх повер­хню і діють ефективно, а 90—95 \% — в навколишнє середо­вище. Вони потрапляють у воду, ґрунти і, насамкінець, у їсті­вні продукти рослинництва; крім цього, знищують корисні комахи. Отже, створення рослин, стійких до комах, призведе до значного зменшення обсягів використання інсектицидів, відновлення популяції корисних комах і позитивно позначить­ся на флорі, фауні і біосфері.

Найменшою є група рослин, стійких до бактеріального, ві­русного і грибкового захворювань. Цим можна пояснити акти­вну зацікавленість у створенні трансгенних рослин, стійких до вірусів, шляхом введення генів, які подібні до РНК віруса, що блокує активний розвиток його у клітинах господаря. Цим можна пояснити стійкість трансгенної рослини до вірусів. Та­ким чином створено трансгенні форми огірків, кавунів, цукіні, картоплі, які проходять польові випробування.

Створено трансгенну картоплю, стійку до фітофторозу і фузаріозну, тютюн, який не вражається грибковими захворю­ваннями, трансгенні томати, ріпак, морква, яблука, груші з геном ге дефензинів редьки. Розроблено спосіб отримання трансген-ної картоплі, стійкої до м' якої гнилі і фітофтори. Проводяться роботи зі створення трансгенної капусти, малини та ін.

Створюються трансгенні рослини, стійкі до холоду. Отри­мано рослини, які витримують протягом 2-х діб мінусові тем­ператури, згубні для звичайних рослин.

Виведено морозостійкі томати схрещенням звичайного то­мата з американською плескатою рибою.

Велика увага приділяється створенню трансгенних рослин із заданими амінокислотним (клоновано гени запасних білків сої, гороху, квасолі, кукурудзи, картоплі) і жирнокислотним складом (ріпак).

Створюються трансгенні овочі і фрукти, які мають гени, що кодують синтез вакцин проти різних захворювань. Якщо лю­дина буде споживати трансгенні сирі овочі і фрукти, то в її ор­ганізм будуть надходити відповідні вакцини. У картоплю був трансплантований ген нетоксичної суб' єдиниці ентеротоксина холери. У миші, яку годували такою сирою картоплею, утво­рювались антитіла холери. Припускають, що такі овочі і фрукти можуть стати ефективним засобом захисту людей від певних захворювань і забезпечать безпеку харчування населення.

Розробляється можливість створення трансгенних рослин з метою очищення ґрунтів, води і т. ін. від металів і радіо­нуклідів. Модифіковану конструкцію бактеріального гена, що кодує білок, який переносить і детоксикує ртуть, вико­ристали для трансформації ріпака, тютюну. Рослини в гід­ропонній культурі з таким геном вилучали з водного сере­довища до 80 \% метилртуті.

Сьогодні трансформовано близько 140 видів різних рослин. У США проводиться більше 300 досліджень з вирощування кукурудзи, картоплі, томатів, рису та інших рослин, в які вво­дили людські гени, що здатні боротися з певними захворю­ваннями: герпесом, гепатитом, холерою, раком, СНІДом, хво­робою Альцгеймера та ін.

У Росії дозволено реалізовувати населенню і використову­вати у харчовій промисловості генетично модифіковані про­

Реально на комерційному ринку, як вважають Я. Блюм і Б. Сорочинський, присутні лише генетично модифіковані лінії сої, кукурудзи, ріпака, бавовника, люцерни, папайї та гарбуза.

дукти і сировину іноземних фірм («Монсанто» (США), «Байєр Кроп Сайнс» (ФРН), «Сінгента Сідс С.А.» (Франція): картоплю окремих сортів, стійку до колорадського жука; кукурудзу, стійку до гліфосату, глюфосинату амонія, стеблового метелика і шкідника Diabrotica spp і сою, стійку до глюфосинату амонія; рис, цукровий буряк, стійкий до гліфосату. Але ці продукти в раціоні населення землі становлять лише 1 \%.

Прибічники трансгенних рослин вважають, що їх виробницт­во і використання має великі переваги і перспективи (рис. 9).

Трансгенні рослини

Зменшення втрат врожаю

Скорочення витрат на пестициди

Поліпшення якості продукції

Зменшення забруднення біосфери

Забезпечення безпеки продуктів

Рис. 9. Переваги використання трансгенних рослин

По-перше, трансгенна продукція високоврожайна, тому можуть збільшуватися ресурси продовольства для населення. По-друге, під час вирощування трансгенних культур можна значно зменшити кількість пестицидів, що зараз використо­вуються у сільському господарстві, і, одночасно, захистити людський організм від їх шкідливої дії і довкілля від забру­днення.

Ці ГМ-рослини і продукти, виготовлені з їх використанням, належать до першого покоління. Сьогодні такі продукти ви­рощують вже в промислових масштабах. Друге покоління по­чинає свій розвиток. Продукти цього покоління характеризу­ються поліпшеною споживною цінністю та якістю завдяки змінам кількості і складу мікроелементів, жирно-кислотного складу жирів, інших продуктів, смаку, запаху, кольору, аміно­кислотного складу білків тощо (рис. 9).

Зміни кількості або складу цукрів і крохмалю

Зміни кількості і жирнокислотного складу жирів

Зміни смаку і запаху продуктів

Зміни якості, термінів достигання і зберігання овочів і фруктів

Зміни амінокислотного складу білків

Рис.10. Поліпшення якості харчової і біологічної цінності харчування і продовольчої сировини

Зокрема, можна збільшити у харчових жирах частку біоло­гічно цінної лінолевої кислоти за рахунок відповідного змен­шення частки насичених жирних кислот, що виробляються з поліпшених трансгенних сої, кукурудзи, ріпака. Трансгенна картопля і кукурудза містить більше крохмалю і менше води, ніж звичайна.

З трансгенної сировини можна виробити більше крохмалю. Під час смаження картоплі необхідно менше олії, з неї можна отримати пухкі фрі і чіпси, які краще засвоюються. Модифі­кований рис, який є основним продуктом у багатьох країнах, містить більше, ніж звичайний, Р-каротину і заліза, що запобі­гає важким захворюванням серед населення.

Генетики передбачають, що під час споживання генетично модифікованих продуктів легше дотримуватись низькокало­рійної і здорової дієти. Населення буде споживати «нові» про­дукти з більш високим вмістом біологічно цінних вітамінів, мінеральних речовин, незамінних ненасичених жирних кис­лот. Лікарі замість вакцин, щеплень будуть рекомендувати пацієнтові, наприклад, спеціально вирощені овочі, в які вмонтовано гени вірусів. Австралійські генетики працюють над створенням бананів, здатних запобігти захворюванню на кір.

Японські генетики створили сорт рису, який дає можли­вість хворим на цукровий діабет не використовувати ліки: ге­нетично модифікований рис стимулює виробництво підшлун­ковою залозою власного інсуліну.

Спеціалісти в галузі генної інженерії вважають, що ство­рення рослин-ліків, рослин-вакцин — це дуже актуальний етап її розвитку.

Модифікують також молоко питне і молоко-сировину для виробництва сирів з метою збільшення вмісту а-Р-казеїнів, що сприяє підвищенню щільності згустка, термостійкості молока, збільшенню вмісту кальцію. Завдяки внесенню протеолітич­них сайтів у казеїни поліпшується процес дозрівання сиру; че­рез збільшення концентрації к-казеїну підвищується стабільність казеїнових комплексів і зменшуються розміри міцел казеїну; завдяки зменшенню вмісту а-лактальбуміну зменшується вміст лактози, знижується ступінь кристалоутворення під час замо­рожування. Модифікація молока у підсумку поліпшує техно­логічні властивості, тобто сиропридатність сировини.

Вчений Ентоні Перрі висловив думку, що за допомогою генних маніпуляцій можна створити слонів з крилами, а кро­ликів з вухами зайця.

До трансгенних рослин третього покоління належать такі, з яких виготовляють багато медичних препаратів. Такі рослини називають «біофабриками». До них відносять, зокрема, анти­коагулянти, фактори крові, фактори, що стимулюють імунну систему, еритропоетин (стимулює утворення еритроцитів), ро­стові фактори, гормон росту людини (для лікування карлико­вості), людський інсулін, інтерферон (пригнічує віруси, лікує деякі форми раку), лейксини (активують і стимулюють роботу різних типів лейкоцитів), моноклональні антитіла (для діагно­стики, а також для адресної доставки ліків, токсинів, ізотопів до ракових пухлин), супероксид дисмутаз (для відновлення кровопотоку під час хірургічних операцій), вакцини (проти гепатиту В).

Для культур четвертого покоління будуть характерні зміни архітектури рослин (наприклад, отримання низькорослих форм), зміни розміру, маси, форми, кількості плодів, підвищення ефективності процесу фотосинтезу рослин.

Генна інженерія, на думку її прибічників, спрямована на благополуччя суспільства, зокрема, на забезпечення повноцін­ного харчування і зміцнення здоров'я.

Проте реакція різних науково-дослідних установ, суспіль­них організацій, вчених, спеціалістів, експертів на генетично модифіковані джерела їжі і медичні препарати неоднозначна. Прихильники генної інженерії, безумовно, вбачають у ній ши­рокі можливості для вирішення продовольчої проблеми, по­ліпшення харчової цінності і безпечності продуктів харчуван­ня, скорочення витрат на засоби боротьби із шкідниками, зменшення забруднення біосфери, використання «нових» про­дуктів і препаратів з них для лікування і профілактики захво­рювань тощо. Одночасно, на сьогодні, немає доказів щодо шкідливості трансгенних продуктів харчування.

9        Питання для самоперевірки і контролю засвоєння знань

Суть традиційної (статевої) селекції рослин.

Принципова різниця між традиційною селекцією і генною інженерією рослин.

Схема генетичної модифікації ДНК рослин.

Дайте визначення терміну «рекомбінація генетичного матеріалу».

Яких властивостей надає ген рослини донора новоот-риманій трансгенній рослині.

Основні завдання генної інженерії.

Які трансгенні продукти належать до першого, дру­гого, третього і четвертого поколінь? їхні характерні влас­тивості.

Які переваги дає використання трансгенних рослин?

За рахунок яких чинників поліпшується харчова і біологічна цінність трансгенної сировини і харчових про­дуктів?

10. Яких властивостей набуває модифіковане молоко?