Использование биотехнологических методов для облегчения селекционного процесса и создания новых форм

Это направление растениеводческой биотехнологии важно прежде всего для сельского хозяйства. Для создания возобновляемого растительного сырья на данный момент оно практически не востребовано, поэтому будет рассмотрено лишь в общем виде.

Достижения в области культивирования клеток, тканей и органов в системе in vitro привели к разработке принципиально новых технологий, направленных на создание улучшенных генотипов сельскохозяйственных растений, обладающих высоким потенциалом адаптации к стрессовым факторам внешней среды при сохранении и повышении их продуктивности.

Клеточные технологии для целей селекции можно условно разделить на две группы: 1) облегчающие и ускоряющие традиционный процесс, т. е. технологии, которые не подменяют селекционный процесс, а служат ему; 2) создающие генетическое разнообразие и скрининг генотипов с ценными признаками - это самостоятельные от обычной селекции технологии [168, 169]. К первой группе технологий относят: оплодотворение in vitro (преодоление прогамной несовместимости), эмбрио-культуру (преодоление постгамной несовместимости), регенерацию растений из тканей летальных гибридов, получение гаплоидных растений путем андрогенеза и гиногенеза. Во вторую группу входят следующие клеточные технологии: индукция сомаклональных вариантов, клеточная и тканевая селекция на устойчивость к стрессам, культура протопластов и соматическая гибридизация.

Создание генетического разнообразия - обязательный начальный этап любых селекционных программ. Традиционными способами расширения генетического разнообразия являются внутривидовая и отдаленная гибридизация. Для стабилизации гибридных линий требуется 5-7 лет самоопыления. В результате создание нового сорта занимает в среднем 10-12 лет. Мечта любого селекционера - иметь для работы полностью гомозиготное растение, в этом случае в поколениях не будет происходить расщепление, и селекционный процесс существенно сократится.

В 1964 г. индийские исследователи С. Гуха и С. Магешвари открыли возможность получения in vitro гаплоидов при культивировании пыльников. Гаплоидные растения развивались из незрелых пыльцевых зерен. Было установлено, что развитие пыльцевых зерен в условиях in vitro может происходить по спорофитному пути, в частности, они могут делиться и образовывать соматические эмбриоиды, и поскольку клетки пальца гаплоидны, то и соматические эмбриоиды тоже будут состоять из гаплоидных клеток. В дальнейшем, при удвоении числа хромосом, происходящем спонтанно или индуцированном обработкой колхицином, возникают гомозиготные диплоидные растения, которые передают свои признаки потомству без расщепления. Таким образом, используя пыльники гибридов Fp можно получать стабильные линии на 3-4 года быстрее, чем при традиционном способе. Процесс получения растений из пыльцы был назван андрогенезом. Впоследствии были подобраны условия создания гаплоидных растений и из семязачатков (неоплодотворен-ных зародышей). Этот способ производства гаплоидных растений получил название «гиногенез»).

Разные варианты андрогенеза (рис. 27) широко применяются в селекции злаковых и овощных культур [96, 131]. В разных странах на основе использования культуры пыльников созданы высокоурожайные и устойчивые к неблагоприятным факторам сорта. Например, в Китае андрогенетические сорта пшеницы занимают площадь 70 тыс. га, а риса - 10 тыс. га. В России на основе метода андрогенеза созданы улучшенные высокоурожайные сорта риса (Краснодарский край, НИИ риса РАН), пшеницы (Краснодарский НИИ сельского хозяйства РАН), ячменя (Саратовский институт сельского хозяйства Юго-Востока РАН), моркови (Всероссийский НИИ селекции и семеноводства овощных культур РАН, Московская обл.), проса (Всероссийский НИИ зернобобовых и крупяных культур РАСХН, г. Орел). Значительные работы в этом направлении проводятся в Институте генетики и цитологии НАН Беларуси, где получены в культуре пыльников in vitro линии удвоенных гаплоидов ярового гексаплоидиого тритикале, а также в качестве объектов для механизмов гаметоклонной изменчивости и особенностей наследования признаков андрогенеза in vitro [125].

Метод культуры пыльников не только ускоряет селекционный процесс, но и делает его более эффективным. Работы по гииогенезу менее распространены, чем по андрогенезу, что связано с методическими трудностями. Однако для некоторых культур, в частности для сахарной свеклы, этот метод оказался очень эффективным.

При отдаленной гибридизации нередко возникает проблема несовместимости родительских геномов - гибридные зародыши погибают на разных стадиях развития. Причинами гибели могут быть отрицательное влияние тканей родительского растения на зародыш или хромосомный дисбаланс. В первом случае изоляция зародыша на возможно более ранних стадиях развития и до-

Различные варианты андрогенеза у растений

Рис. 27. Различные варианты андрогенеза у растений

ращивание его на питательной среде в условиях in vitro - эффективное средство спасения отдаленного гибрида. Этот биотехнологический метод, получивший название «эмбриокультура», широко применяется в селекции зерновых, бобовых и плодовых растений.

В тех случаях, когда у отдаленных гибридов несбалансирован хромосомный набор, можно получать каллусные ткани из гибридного зародыша. Культивирование клеток in vitro способствует хромосомной рекомбинации, что повышает возможность выявления жизнеспособных клеток. Растения, регенерированные из каллусной ткани гибридов, обычно сохраняют большую часть генетического материала одного из родителей и отдельные фрагменты хромосом другого. Заново скомбинированный геном становится стабильным и обеспечивает жизнеспособность растения.

Уникальным и эффективным способом повышения генетического разнообразия является использование сомаклональной вариабельности. Известно, что культивирование клеток растений in vitro способно вызывать не меньшие перестройки генома, чем химические мутагены или различные виды излучений. Возникшие в культивируемых клетках мутации сохраняются у регенерированных из этих клеток растений. Для увеличения степени генетического разнообразия можно дополнительно использовать индуцированный мутагенез.

Как и индуцированный мутагенез, сомаклональная изменчивость не является направленной, и большая часть возникающих в процессе культивирования вариаций не имеет практического значения. Однако среди сомаклоиов (измененных растений-регенерантов) можно отобрать индивиды с полезными признаками. Например, среди сомаклоиов сахарного тростника были отобраны растения, устойчивые к вирусу Фиджи, желтой пятнистости и ложной мучнистой росе. В Венгрии выделены сомаклоны пшеницы, обладающие повышенной холодостойкостью. Сомаклоны лекарственных растений с повышенным биосинтезом БАВ получены в Украине [126] и Беларуси [127].

В отличие от гибридизации культивирование клеток in vitro не разрушает ценного сочетания генов, достигнутого в результате предыдущей селекции. Вариации затрагивают лишь отдельные участки генома. По этой причине со-маклональиую изменчивость обычно используют для улучшения отдельных признаков у существующих сортов.

Эффективность отбора культивируемых клеток и тканей с необходимыми признаками существенно возрастает при использовании клеточной селекции, т. е. при выращивании клетки в селективных условиях — например, на питательных средах, содержащих токсические концентрации солей (для получения солеустойчивых вариантов), гербицидов (для получения культур, устойчивых к ним), продуктов жизнедеятельности фитопатогенных микроорганизмов (для получения вариантов, устойчивых к фитопатогенам). В этом случае появляется возможность на основе сомаклональных вариаций отобрать в жестких селективных условиях клетки, характеризующиеся искомым признаком.

Проведение селекции in vitro позволяет обнаруживать миллионы генотипов, не занимая посевных площадей и вне зависимости от сезона и погоды.

Методом клеточной селекции у многих видов культурных растений получены формы, обладающие повышенной устойчивостью к засолению, засухе, экстремальным температурам, кислым почвам, различным болезням и вредителям. В результате отбора на средах с токсическими аналогами аминокислот выделены растения, имеющие повышенное содержание белка или белок, обогащенный ценными аминокислотами.

В селекции картофеля улучшение имеющихся сортов по конкретным признакам и создание нового генетического материала началось в 80-90-х годах XX в. С использованием феномена сомаклональной вариабельности во Всероссийском НИИ картофельного хозяйства им. А. Г. Лорха, БелНИИ картофелеводства и в Отделе биохимии растений Института экспериментальной ботаники НАН Беларуси получены сомаклоны с комплексом хозяйственно ценных признаков. Кроме того, разработаны новые подходы, позволяющие повысить частоту встречаемости форм с желаемым признаком. Разработаны селективные системы отбора клеток и регенерации из них растений. В результате оказалось возможным проводить клеточную селекцию с использованием в качестве селективных факторов токсинов возбудителей кольцевой гнили, черной ножки, фузариозного увядания, альтернариоза, фитофтороза.

С использованием метода совместного культивирования in vitro растений с пораженными тканями и зооспорангий патогенов разработаны системы для отбора клеток и растений, устойчивых к возбудителям рака картофеля и парши обыкновенной. Кроме того, для повышения эффективности клеточных технологий использован ряд стрессовых факторов, таких, как повышенные температуры, осмотический стресс, NaCl, УФ-облучение. Несколько линий картофеля, полученных методами клеточной инженерии во Всероссийском НИИ картофельного хозяйства и БелНИИ картофелеводства, переданы в государственное сортоиспытание.

Генетическая инженерия растений в настоящее время является самым «модным» разделом растительной биотехнологии. Суть ее состоит во введении нужного гена (генов) - часто их называют «генами интереса» - в растительный организм. «Гены интереса» могут иметь различное происхождение (из бактерий, грибов, животных или даже быть синтетическими) и определять различные свойства (гены, определяющие устойчивость растения к биотическим и абиотическим стрессовым факторам, гены синтеза ценных белков и др.).

Система создания генетической конструкции, ее введения в организм является предметом отдельной публикации. Скажем лишь, что практически всегда для генно-инженерных работ используют объекты in vitro, важнейшим фактором, обеспечивающим успех этих работ, является эффективная технология регенерации растений. Сегодня в создании трансгенов уже достигнут значительный прогресс. Получены трансгенные растения, которые несут гены, определяющие устойчивость к гербицидам, фитопатогенным микроорганизмам, насекомым-вредителям; растения, устойчивые к неблагоприятным условиям внешней среды, имеющие улучшенный внешний вид и пищевые свойства.

К настоящему времени в мире получены трансгенные растения более чем 80 сельскохозяйственных культур, среди них важнейшие зерновые культуры -пшеница, рис, кукуруза, овощные культуры - томаты, картофель, сладкий перец, масличные культуры - соя, рапс. Чтобы представить масштабы работ в области создания трансгенных растений, достаточно упомянуть, что к концу XX в. в 45 странах (преимущественно в США, Канаде и Западной Европе) было проведено более 25 тыс. полевых испытаний 60 различных сельскохозяйственных культур. Наиболее часто вводимые новые признаки - устойчивость к гербициду, устойчивость к насекомым, устойчивость к вирусам, грибам, бактериальной инфекции, улучшенные пищевые качества растения.

В качестве примера практического использования генной инженерии в нашей стране можно привести работы с картофелем. В частности, в центре «Биоинженерия» созданы линии, экспрессирующие ген bar (устойчивость к гербициду). Совместно с БелНИИ картофелеводства получены формы, экспрессирующие ген эндотоксина (из бактерии Bacillus thuringiensis}, который повышает устойчивость растений к колорадскому жуку.

С использованием генетических конструкций, несущих гены лейкоцитарного а-интерферона, а-интерферона человека, мини-антител к ферритину, созданы линии, экспрессирующие соответствующие признаки.

В рамках международного проекта (Нидерланды - Венгрия - Беларусь) получены трансгенные формы картофеля, экспрессирующие ген, который контролирует синтез лептина. Этот гликоалкалоид синтезируется только в надземной части растения (вид Solatium chacoense) и обеспечивает защиту от колорадского жука.

Подобного плана работы проводятся в Институте генетики и цитологии НАН Беларуси, где были созданы две генетические конструкции векторов с бактериальным геном gox, экспрессирующим фермент глюкооксидазу, побочным продуктом которой является пероксид водорода, способный подавлять активность фитопатогенов. С использованием метода агробактериаль-ной трансформации полученные векторы введены в растения картофеля отечественной селекции Скарб. Предполагается, что экспрессия глюкозоок-сидазы у полученных трансформантов приведет к повышению устойчивости картофеля к неблагоприятным факторам и фитопатогенам. В Отделе биохимии и биотехнологии растений Центрального ботанического сада создана технология агробактериалыюй трансформации in vitro и in planta клевера лугового, разработана технология получения трансгенных растений клюквы крупноплодной, экспрессирующих гетерологичный ген белка тауматина II с проявлением антигрибной активности и изменением вкуса плодов [128].

Не вдаваясь в детали, стоит сказать и о потенциальных опасностях широкого внедрения генно-инженерных работ в практическое сельское хозяйство. Дело в том, что трансгенное растение представляет собой новый организм с новыми свойствами. Может случиться, что эти свойства будут вредны для человека (например, при употреблении этого растения в пищу) или экосистемы (например, ген устойчивости к насекомым передастся многим растениям, что может привести к гибели популяции насекомых). Для выяснения безопасности трансгенных растений (кстати, не только растений, но всех генно-модифицированных организмов - ГМО) необходимы длительные многоплановые исследования. Причем именно длительные, поскольку последствия могут проявиться в поколениях как ГМО, так и использующих их организмов. Аргументы против подобных испытаний (например, «любой гибрид - это тоже генно-модифицированный организм»), как правило, некорректны (в частности, гибриды образуются за счет обмена блоками информации, тогда как вносимый ген встраивается в хромосому неконтролируемо и способен нарушить работу генома, что может проявиться не сразу). Поэтому, не отрицая важности и эффективности использования трансгенных организмов в практике, стоит признать необходимым строгий контроль за их использованием, тщательное и всестороннее исследование их безопасности и обязательное маркирование всех трансгенных продуктов, поступающих на рынок [129-131].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >