2.2.3. Трансгенные сорта сельскохозяйственных растений, устойчивые к насекомым-вредителям. Трансгенные растения устойчивые к насекомым вредителям
ГМ растения, устойчивые к насекомым-вредителям
ГМ растения, устойчивые к насекомым-вредителям
В процессе получения ГМО с помощью трансгеноза первостепенное внимание должно быть уделено повышению устойчивости сортов и гибридов к болезням, вредителям и сорнякам. О важности этого направления селекции свидетельствует уже тот факт, что общее число потенциально вредоносных для агроэкосистем видов достигает 80-100 тыс., в том числе свыше 30 тыс. возбудителей грибных, бактериальных и вирусных заболеваний, около 10 тыс. членистоногих и др. Несмотря на увеличение количества применяемых в сельском хозяйстве пестицидов (например, в США — 400 тыс. т в год), к началу XXI столетия потери урожая составляют в среднем 33%. Общая же цена потерь урожая сельскохозяйственных растений в мире, согласно имеющимся оценкам, только от болезней достигает 50 триллионов долларов в год.
Одним из факторов риска в получении высоких и стабильных урожаев является поражение посевов насекомыми. Так, например, ущерб от поражения посевов кукурузы кукурузным мотыльком (Ostrinia nubialis) в США составляет около миллиарда долларов в год. А тысячи тонн инсектицидов, расходуемых ежегодно, естественно, не очень полезны окружающей среде.
Молекулярные биологи сумели обеспечить организмы иммунитетом к их вредителям. Наиболее распространенным приемом создания инсектицидных растении сейчас является введение в их геном гена Сгу- белка (Bt-токсина), естественного инсектицида, вырабатываемого почвенными бактериями Bacillus thuringiensis. Bt-защищенные растения экспрессируют один или несколько Cry-белков для защиты от чешуекрылых и жесткокрылых вредителей.
Почвенная грамположительная бактерия B.thuringiensis продуцирует в процессе спорообразования кристаллические белковые включения. Эти включения состоят из белков, называемых Сгу-белками. Они обладают селективным действием против узких групп насекомых, причем различные классы белков эффективны для применения против разных насекомых-вредителей. Сгу-белки присоединяются к специфическим участкам клеток пищеварительной системы насекомых и образуют ионоселективные каналы в клеточных мембранах. Это приводит к чрезмерному поступлению воды, клетки разбухают, что приводит к их лизису и последующей гибели насекомого.
Важно иметь в виду, что данный белок термонестабилен, т.е. разрушается при термической обработке продукции. Кроме того, он нетоксичен для позвоночных животных. Препараты из бета-эндотоксина используются уже около полувека в качестве инсектицидов для опрыскивания.
В мире известны тысячи штаммов B.thuringiensis с разнообразными генами и широким потенциалом биологически активных белков. В целом эти штаммы представляют богатейший источник структурных компонентов многочисленных будущих препаратов для борьбы с самыми разнообразными вредителями.
Успехи генной инженерии неизмеримо расширили спектр биологических объектов перспективных в качестве доноров генов. Помимо растений, ими могут быть насекомые, грибы, бактерии, вирусы. Отсюда стремление биотехнологических компаний создавать свои частные банки генов. Так, фирма «Бристайл-Майерс» (США) имеет патенты на многие бактериальные культуры, в числе которых образцы из Индии, а также из Филиппин, Фиджи, Бразилии, Перу и др. По нормам промышленного патентования фирма приобретает монопольное право на их использование.
В настоящее время компаниями «Monsanto», «AgrEvo», «Мусоgеn» и «Novartis» созданы другие трансгенные формы, устойчивые к насекомым, так называемые Bt-растения — соя, хлопчатник, кукуруза.
Специалисты полагают, что применение Bt-растений может иметь не только хорошее коммерческое будущее, но и экологический эффект. Известно, что только 5% внесенного инсектицида срабатывает по назначению, остальные 95% попадают в окружающую среду, уничтожая многие виды насекомых, в том числе и полезных. Сокращение же объемов применения инсектицидов приведет к восстановлению популяций многих полезных насекомых, что, несомненно, положительно скажется на многих видах растительного и животного мира.
По данным Kcy, в Китае получены трансгенные растения более 50 видов, которые включают основные злаки (рис, пшеница, кукуруза, сорго), а также хлопчатник, сою, рапс, арахис, овощные культуры (кочанная капуста, цветная капуста, перец), плодовые (яблоня, цитрусовые, киви), древесные (тополь, эвкалипт, шелковица). Более 100 генов, включая маркерные, использовано в этих экспериментах. Трансгенный табак, устойчивый к вирусам, выращивали уже в 1994 г. на площади 36 000 га. Прошли полевые испытания трансгенные растения хлопчатника с генами Bt или ингибитора протеаз, устойчивые к насекомым, служащие исходным материалом для создания устойчивых к насекомым сортов этой культуры для различных районов Китая. Разработанный для хлопчатника в 1983 г. Жоу (Zhou) метод трансформации по следу пыльцевой трубки с успехом использовался для генетической трансформации риса, пшеницы, сои. Наиболее значительным успехом в Китае считается получение пшеницы, устойчивой к вирусам за счет гена белка оболочки, и устойчивого к насекомым хлопчатника с геном эндотоксина Bt.
Белок Bt активен не только против европейского мотылька кукурузы, но также против юго-западного мотылька и кукурузной моли. Ориентировочные потери от этих основных вредителей кукурузы составляют 800-900 млн долл. ежегодно.
Поделитесь на страничкеСледующая глава >
bio.wikireading.ru
Достижения биотехнологии – растения, устойчивые к болезням и вредителям — AgroXXI
Многие насекомые, а также болезни, вызываемые грибной, бактериальной и вирусной инфекцией, наносят большой ущерб сельскохозяйственному производству
Хозяйства вынуждены тратить огромные средства на закупку различных химических средств защиты растений от вредителей и для борьбы с патогенами. При этом вносимые химикаты загрязняют окружающую среду, они оказывают вредное воздействие на млекопитающих и полезных насекомых. Поэтому поиск, а также создание с помощью генно-инженерных методов, устойчивых к вредителям новых растений - сейчас одна из актуальнейших задач.
Накопленные знания о механизмах патогенеза и современные возможности генетической инженерии позволяют разрабатывать научные методы создания ГМ растений, которые устойчивы к насекомым-вредителям, к грибным, бактериальным и вирусным инфекциям.
Давно известно, что бактерия Bacillus thuringiensis синтезирует белковые кристаллические структуры, обладающие сильным инсектицидным действием. Попадая в кишечник насекомых, белок расщепляется под действием протеаз насекомого до активного токсина, который и вызывает гибель насекомого.
Известно и уже изолировано много различных Bt генов (cry гены), кодирующих инсектицидные белки, которые очень специфичны для различных видов насекомых. Важно подчеркнуть, что эти белки совершенно не токсичны для млекопитающих, рыб, беспозвоночных и полезных насекомых. Естественные Bt гены, перенесенные в растения, плохо экспрессируются. Поэтому генно-инженерными методами их модифицируют, добиваясь более высокой экспрессии в клетках растений. Так, замена 4 участков гена cry III класса на синтетические фрагменты привела к резкому повышению экспрессии гена. Созданные трансгенные растения баклажана полностью устойчивы к колорадскому жуку.
Первый коммерческий сорт картофеля, устойчивого к колорадскому жуку, создан фирмой Монсанто путем введения в геном картофеля модифицированного Bt гена cry III. Этой же и другими фирмами на основе Bt генов получены устойчивые к насекомым коммерческие сорта хлопка, кукурузы и риса.
Защита от насекомых может быть достигнута путем создания ГМ растений, несущих гены, кодирующие инсектопестициды грибов - пестициды. Например, из некоторых грибов выделены высоковирулентные изоляты против тлей и белокрылки – насекомых, наносящих огромный вред при выращивании растений в теплицах.
В качестве кандидатов генов, чьи продукты могут обладать инсектицидным действием, могут быть гены ингибиторов сериновой и цистеиновой протеаз, сr-амилазы, лектинов, хитиназ, липоксигеназ. Активно ведутся работы по клонированию генов и созданию ГМ растений, устойчивых против грибных, бактериальных и вирусных инфекций. Известно, что в ответ на инфекцию патогенов в растениях включается целый набор различных защитных механизмов.
Реакции растений на фитопатогены можно разделить на 3 группы:
· растение имеет полный иммунитет против данного патогена;
· в ответ на повреждение происходит быстрая программируемая гибель клеток в точке внедрения патогена (так называемая реакция сверхчувствительности), при этом патоген не успевает распространиться и погибает вместе с клетками растения;
· патоген преодолевает ответные защитные реакции организма и вызывает различной степени повреждения вплоть до гибели растения.
В качестве защитного ответа на повреждение в растении начинается синтез соединений, токсичных для патогенов, могут также создаваться структурные барьеры за счет усиления клеточных оболочек путем лигнификации или накопления гликопротеидов.
Инфекция вызывает у растений синтез вторичных метаболитов (например, антибиотиков типа фитоалексинов), окисление фенольных соединений, синтез защитных полипептидов (PR белки). Выделяют не¬сколько типов таких защитных белков: PR-1, PR-2 (бетта-1,3 глюканазы), PR-3 (хитиназы) PR-4, PR-5 (томатинподобные протеины) и PR-6 (ингибиторы протеаз).
У многих видов растений в ответ на атаку патогена возникает системно индуцированная устойчивость (SAR), главной реакцией при этом является синтез растением салициловой кислоты, которая связывает и ингибирует изозимы каталазы. Среди PR белков, связанных с грибной инфекцией, наиболее изучены хитиназы. Они гидролизуют хитин – основной компонент клеточной оболочки грибов. Созданные трансгенные растения табака с геном хитиназы фасоли под контролем 35S промотора успешно выживали в почве, зараженной патогенным грибом Rhizostonia solani.
Проведена агробактериальная трансформация сортов риса генами cht-2 и cht-З, кодирующими хитиназу риса под 35S промотором. Трансформанты характеризовались высокой устойчивостью к двум наиболее распространенным расам гриба Magnaporthe grisea, одного из самых вредоносных для риса патогенов. Наряду с хитиназой в конструкциях векторов широко используются (бетта-глюканазы для создания патогенустойчивых растений пшеницы, ячменя и др.
В последнее время обнаружен новый класс антимикробных пептидов, названных дефензинами. Дефензины выделены из семян многих видов однодольных и двудольных растений. Они состоят из 45-54 аминокислот и характеризуются значительным консерватизмом последовательностей нуклеотидов. Оказалось, что эти пептиды угнетают рост целого ряда грибов. Сейчас гены этих пептидов клонированы и используются для создания трансгенных растений. Трансформанты табака с геном дефензина редьки под 35S промотором характеризовались высокой устойчивостью против гриба Alternaria longipes. Разрабатывается также метод моделирования системы гиперчувствительности как защитной системы у растений с использованием генетических конструкций, содержащих ген бактериальной РНКазы (барназы) под контролем участка промотора картофельного гена prp I-I, обеспечивающего экспрессию гена в условиях грибного заражения. В случае инфекции индуцируется экспрессия гена и клетка погибает вместе с патогеном. Ведутся работы по поиску других подходов и систем для получения генетически модифицированных растений, способных противостоять грибным инфекциям.
Разработано несколько методов создания растений, устойчивых к вирусам растений. Один из них заключается в контролировании различных антисмысловых конструкций, где к ДНК-содержащая копия вирусной РНК помещается под промотор таким образом, чтобы в результате транскрипции образовалась последовательность РНК, комплементарная вирусной РНК. При заражении вирусом растительной клетки с такой конструкцией образуются дуплексы между вирусной и конститутивно синтезируемой антисмысловой РНК. Эти дуплексы разрушаются специфическими РНКазами, в результате чего вирусы не образуются и соответственно болезнь не развивается. Примером могут быть трансгенные растения табака, несущие антисмысловые конструкции для вируса мозаики огурца и вируса табачной мозаики.
Еще одним методом борьбы с вирусной инфекцией является клонирование и встраивание в геном растений гена синтеза белка оболочки вируса. Активный синтез такого белка, имеющего сродство с РНК вируса, ингибирует репликацию РНК вируса, что приводит к довольно высокой устойчивости растения. В этом случае наблюдается высокая специфичность реакции, т.е. защита достигается только против того вируса, ген белка которого был встроен в геном растения. Этот метод успешно использован для большого числа вирусов различных таксономических групп.
Созданы трансформанты риса с геном, кодирующим белок оболочки вируса Hoja bаnса.
Коммерческий сорт картофеля Бзура был трансформирован вектором, несущим ген оболочки вируса курчавости листьев в смысловой и антисмысловой ориентации. Полученные трансгенные растения проявляли высокую устойчивость к данному вирусу.
Возможную роль в защите растений от вирусной инфекции может играть внедрение генов защиты от вирусной инфекции, которые используются клетками млекопитающих. Так, введение гена бетта-интерферона или гена, кодирующего 2,5А-синтетазу, в клетки растений повышало устойчивость к вирусной инфекции. Разрабатываются подходы, в которых используются гены, кодирующие антивирусные белки растительного происхождения, гены, кодирующие специфические антитела, узнающие вирусные белки.
В последнее время появились работы, в которых приводятся данные о создании трансформантов против вироидов. В частности, получены трансгенные растения картофеля, экспрессирующие ген рибозима hammehead, транскрипты которого расщепляют минус цепь РНК веретеновидного вироида клубней картофеля.
Создаются также трансгенные растения, устойчивые к бактериальным болезням. При трансформации картофеля вектором, включающим 35S промотор, последовательности, кодирующие сигнальный пептид амилазы и гена лизоцима бактериофага Т4, у трансгенных растений отмечали повышение устойчивости к одному из главных бактериальных патогенов Ervinia caratovora, вызывающему мягкую гниль клубней «черную ножку».
Большой вред виноградникам наносит бактериальный рак, вызываемый Agrobacterium tumefaciens. Пораженные растения снижают качество и количество урожая. Иммунных сортов к бактериальному раку практически нет, а химические и биологические меры борьбы с ним не эффективны.
Однако установлено, что плазмиды IncW и IncQ агробактерий подавляют развитие рака. В вектор под 35S промотором был интегрирован ген ita, выделенный из плазмиды IncQ. Среди трансгенных растений табака и тополя выделены формы с высокой степенью устойчивости к агробактериальной инфекции.
www.agroxxi.ru
Трансгенные сорта сельскохозяйственных растений, устойчивые к насекомым-вредителям
из "Генетически модифицированные продукты Мифы и реальность"
Второй ключевой проблемой растениеводства является повышение эффективности контроля численности насекомых-вредителей (и других паразитов, например клещей) сельскохозяйственных культур. Для этих целей чаще всего используют пестициды — либо химические, либо биологические (препараты, полученные на основе микроорганизмов, вырабатывающих токсичные для насекомых вещества). Использование последних предпочтительнее с точки зрения безопасности для здоровья человека и окружающей среды. Однако эффективность химических средств защиты растений остается намного выше, чем биологических. [c.47] Попадая в пищеварительный тракт чувствительного к нему насекомого, Bt-протеин претерпевает изменения под действием определенного протеолитического фермента в щелочной среде (pH 7,5 —8,0) от исходной молекулы протеина отделяется небольшая часть (приблизительно равная одной трети молекулы), представляющая собой активную форму этого белка. Только она способна прикрепляться к специфическим рецепторам в средней части пищеварительного тракта насекомого и вызывать лизис (растворение) клеток, который приводит к образованию пор. Насекомое перестает питаться, происходит обезвоживание организма, и в конце концов наступает смерть. У нечувствительных к конкретным препаратам Bt-протеина насекомых описанные процессы не происходят, и Bt-протеин у них просто переваривается. [c.48] Естественно, Bt-протеин не представляет угрозы для теплокровных животных и человека, поскольку пищеварительный тракт у них устроен иначе, чем у насекомых, и у них другие протеолитические ферменты. Более того, Bt-протеин — весьма нестойкий белок, который легко денатурирует при нагревании, в кислой среде желудка, быстро переваривается желудочным соком (лишь разбавление желудочного сока в тысячу раз позволило построить кривую его деградации во времени уже через десять минут от него не оставалось и следов). В остром эксперименте на мышах (15 дней скармливания Bt-протеина в дозах до 5 граммов на один килограмм веса) не установлено никаких отклонений в здоровье опытных особей. За почти сорокалетнюю историю использования препаратов на основе Bt-протеина не отмечено ни одного случая аллергий или его токсичности для людей, в том числе сотрудников предприятий, на которых его производят. [c.48] Особенно высокая эффективность трансгенного Bt-протеина отмечена на кукурузе и хлопке. Дело в том, что вредители этих культур -личинки мотыльков европейского точильщика кукурузы, хлопкового коробочного и розового коробочного червеца — находятся на поверхности растения в течение очень короткого времени. Затем они внедряются в ткани растения и прогрызают там ходы, нанося, таким образом, существенный урон здоровью растений и урожаю. Поскольку у трансгенных сортов Bt-протеин образуется во всех зеленых тканях растения и присутствует там постоянно, то это позволяет растению защищать себя от вредителей на протяжении всего периода вегетации. При этом трансгенный Bt-протеин высокоэффективен в исключительно низких концентрациях. Так, во всей зеленой массе кукурузы в период цветения на площади в 1 гектар содержится всего 8 — 16 граммов Bt-протеина. В конце сезона эта цифра имеет еще меньшее значение — 0,8 грамма. В зрелом зерне и в силосной массе Bt-протеин отсутствует вообще его невозможно обнаружить даже с помощью самых чувствительных аналитических методов. [c.49] Эти красноречивые данные свидетельствуют, что ни трансгенный картофель, ни трансгенная кукуруза не содержат в своем урожае продукта привнесенного им бактериального гена. То есть они полностью идентичны по своим потребительским свойствам сортам, полученным методами традиционной селекции. [c.50]Вернуться к основной статье
chem21.info
24) Получение трансгенных растений устойчивых к вредителям.
Получение из бактерий B.t. плазмиды 20.000 оборотов в минуту 4-6 часов + лизоцим( фермент класса гидролаз). В основе получения ГМО лежит получение рекомбинантной ДНК.
Рассмотрим пример получения рекомбинантной ДНК плазмиды кишечной палочки, синтезирующей человеческий инсулин
25.Получение трансгенных растений,устойчивых к гербицидам
Гербициды сплош-го действия + уничтож культ-х посеввоПлощадь этих ГМР составляет 80% от общей S в мире .Получают устойчивые ГМР путем пришив-я генов устойчивости бак и растит-го происхождения.
Из сорных выделен ген- pbcA, придающий уст к антрокнозу. Из кишечной палочки (E.coli) aroA раундап (глифосат-кислоты). Глифосат подавляет в клетках синтез ароматических аминокислот, обеспечивающих устойчивость к гербицидам 2,4-Д обеспечивает фермент монооксидазы. Получены устойчивые к гербицидам 20 сортов кукурузы, рис, хлопчатник, лен, томаты, земляника.
26.Этапы получения генномодифицированных растений. Векторы переноса генов в растения.
Получение б/т растений устойчивых этих ГМР составляет 80% в мире.
Получают устойчивые ГМР путем введения генов устойчивости бактериального и растительного происхождения.
Из сорняков путем обработки отразином – гербицин, выделен ген ДвсА.
Из клеток кишечной палочки выделен нег аroA к устойчивости раунтдап. Там действующее вещество называется глифосат кислота.
Глифосат подавляет в клетках синтез ароматических кислот. Они обеспечивают устойчивость к гербицидам 2,4 – Д, обеспечивают фермент монооксидазы (разрушает аминокислоты).
Получены к устойчивости к гербицидам 20 кукурузы, хлопчатник, соя, пшеница, картофель, лен, земляника, сахарная свекла…
Векторы переноса генов в растении
Векторы трансформации – перенос генов в клетки растений и их трансформация (встраивание в геном) осуществляется специфическими структурами векторов.
Вектор 1: биологическая биобалистика. Для однодольных растений применяют мелкие частицы вольфрама, платины, помещают в гены и за счет перепада давления эти частицы пролетают через клетки (3 мм размер).
Используют каусную ткань или клетки листьев – часть клеток погибнет, а выжившие культивируют до выживших растений.
Вектор 2: методы прямого переноса гена в клетки:
А) трансформация протопластов и их слияние
Б) используют микроиньекции ДНК. Эффективность 2%.
В) электропарация ДНК проник-т через поры в клетку под действием импульсов элек тока
Г) упаковка в липосомы
Вектор 3: векторы на основе Тi-плазмиды, agrobacterium, tumifaciens.
Агробактерия образует на корнях двудольных растений такие опухоли – корончатые галлы. Это вызывает бактериальный рак.
Эта бактерия имеет внехромосомную плазмиду, в которой находятся гены, образующие опухоль (Т-опухоль).
Vir-область (в ДНК раст-ой клетки, пришивает ген) → Ti-плазмида →Т-область: гармон независимости, образование опухоли, синтез своих белков, синтезирует опины (их типа).
Эта плазмида является естественным вектором трансформации для генов их преноса, включения и экспрессии генетической информации в растении.
После заражения, части плазмиды встречаются в хромосоме растений. Клетка изменяет метобализм, синтезирует опины. Опины - это продукты генов, которые бактерия вводит в растение.
Этот участок Тi-плазмиды называется Т-областью в бактерии т Т-ДНК в клетках растений. Т-область занимает примерно 10 % Тi-плазмиды и включает 4 гена. Гены, отвечающие за перенос и интеграцию генов Т-области находится не в ней самой, а рядом в Vir-области.
Гены: гармон независимости и гармон опухоли мешают получать растения.
Генетики из Т-области вырезают ненужные гены, пришивают на их место гены, которые надо пришить в растение.
Этот вектор применяют для двудольных. Полученный штам у агробактерий, у которых в Т-области помещены гены к устойчивости, к болезням, гербицидам, штамам.
Применяют еще другие агробактерии : agrobacterium rhizogenos.
Вектор 4: промежуточный и бинарный векторы.
Они сконструированы на основе Тi-плазмиды с помощью рестриктазы (днк) из Тi-плстиды, вырезают Т-область и встраивают в клетку кишечной палочки вырезают ее. Затем внутрь Т-области встраивают ген и вновь размножают.
Полученную рекомбинантную плазмиду вводят в агробактерию, несущую полную плазмиду.
В результате двойного крассинговера Т-область включается в Тi-плазмиду Аg завести в нормальную Т-область. Далее эти Аg используют для трансформации растений – это промежуточный вектор. Бинарный – это бактерии, содержащие 2 разные Тi-плазмиды. Одна несет Т-область с любыми генами, вторая vir- область обеспечивает помещение в геном растительной клетки.
Вектор 5: векторы на основе ДНК вирусов растений.
Таких вирусов всего 1-2%. Применяют вирус полосатости кукурузы и вирус мозайки цветной капусты.
В клетке растений образуется до 1000000 копий вируса (нуклеиновой кислоты).
studfiles.net
|
ГМ растения, устойчивые к насекомым-вредителям В процессе получения ГМО с помощью трансгеноза первостепенное внимание должно быть уделено повышению устойчивости сортов и гибридов к болезням, вредителям и сорнякам. О важности этого направления селекции свидетельствует уже тот факт, что общее число потенциально вредоносных для агроэкосистем видов достигает 80-100 тыс., в том числе свыше 30 тыс. возбудителей грибных, бактериальных и вирусных заболеваний, около 10 тыс. членистоногих и др. Несмотря на увеличение количества применяемых в сельском хозяйстве пестицидов (например, в США — 400 тыс. т в год), к началу XXI столетия потери урожая составляют в среднем 33%. Общая же цена потерь урожая сельскохозяйственных растений в мире, согласно имеющимся оценкам, только от болезней достигает 50 триллионов долларов в год. Одним из факторов риска в получении высоких и стабильных урожаев является поражение посевов насекомыми. Так, например, ущерб от поражения посевов кукурузы кукурузным мотыльком (Ostrinia nubialis) в США составляет около миллиарда долларов в год. А тысячи тонн инсектицидов, расходуемых ежегодно, естественно, не очень полезны окружающей среде. Молекулярные биологи сумели обеспечить организмы иммунитетом к их вредителям. Наиболее распространенным приемом создания инсектицидных растении сейчас является введение в их геном гена Сгу- белка (Bt-токсина), естественного инсектицида, вырабатываемого почвенными бактериями Bacillus thuringiensis. Bt-защищенные растения экспрессируют один или несколько Cry-белков для защиты от чешуекрылых и жесткокрылых вредителей. Почвенная грамположительная бактерия B.thuringiensis продуцирует в процессе спорообразования кристаллические белковые включения. Эти включения состоят из белков, называемых Сгу-белками. Они обладают селективным действием против узких групп насекомых, причем различные классы белков эффективны для применения против разных насекомых-вредителей. Сгу-белки присоединяются к специфическим участкам клеток пищеварительной системы насекомых и образуют ионоселективные каналы в клеточных мембранах. Это приводит к чрезмерному поступлению воды, клетки разбухают, что приводит к их лизису и последующей гибели насекомого. Важно иметь в виду, что данный белок термонестабилен, т.е. разрушается при термической обработке продукции. Кроме того, он нетоксичен для позвоночных животных. Препараты из бета-эндотоксина используются уже около полувека в качестве инсектицидов для опрыскивания. В мире известны тысячи штаммов B.thuringiensis с разнообразными генами и широким потенциалом биологически активных белков. В целом эти штаммы представляют богатейший источник структурных компонентов многочисленных будущих препаратов для борьбы с самыми разнообразными вредителями. Успехи генной инженерии неизмеримо расширили спектр биологических объектов перспективных в качестве доноров генов. Помимо растений, ими могут быть насекомые, грибы, бактерии, вирусы. Отсюда стремление биотехнологических компаний создавать свои частные банки генов. Так, фирма «Бристайл-Майерс» (США) имеет патенты на многие бактериальные культуры, в числе которых образцы из Индии, а также из Филиппин, Фиджи, Бразилии, Перу и др. По нормам промышленного патентования фирма приобретает монопольное право на их использование. В настоящее время компаниями «Monsanto», «AgrEvo», «Мусоgеn» и «Novartis» созданы другие трансгенные формы, устойчивые к насекомым, так называемые Bt-растения — соя, хлопчатник, кукуруза. Специалисты полагают, что применение Bt-растений может иметь не только хорошее коммерческое будущее, но и экологический эффект. Известно, что только 5% внесенного инсектицида срабатывает по назначению, остальные 95% попадают в окружающую среду, уничтожая многие виды насекомых, в том числе и полезных. Сокращение же объемов применения инсектицидов приведет к восстановлению популяций многих полезных насекомых, что, несомненно, положительно скажется на многих видах растительного и животного мира. По данным Kcy, в Китае получены трансгенные растения более 50 видов, которые включают основные злаки (рис, пшеница, кукуруза, сорго), а также хлопчатник, сою, рапс, арахис, овощные культуры (кочанная капуста, цветная капуста, перец), плодовые (яблоня, цитрусовые, киви), древесные (тополь, эвкалипт, шелковица). Более 100 генов, включая маркерные, использовано в этих экспериментах. Трансгенный табак, устойчивый к вирусам, выращивали уже в 1994 г. на площади 36 000 га. Прошли полевые испытания трансгенные растения хлопчатника с генами Bt или ингибитора протеаз, устойчивые к насекомым, служащие исходным материалом для создания устойчивых к насекомым сортов этой культуры для различных районов Китая. Разработанный для хлопчатника в 1983 г. Жоу (Zhou) метод трансформации по следу пыльцевой трубки с успехом использовался для генетической трансформации риса, пшеницы, сои. Наиболее значительным успехом в Китае считается получение пшеницы, устойчивой к вирусам за счет гена белка оболочки, и устойчивого к насекомым хлопчатника с геном эндотоксина Bt. Белок Bt активен не только против европейского мотылька кукурузы, но также против юго-западного мотылька и кукурузной моли. Ориентировочные потери от этих основных вредителей кукурузы составляют 800-900 млн долл. ежегодно. |
rulibs.com
2.2.3. Трансгенные сорта сельскохозяйственных растений, устойчивые к насекомым-вредителям : Генетически модифицированные организмы мифы и реальность : Юридическая библиотека
Второй ключевой проблемой растениеводства является повышение эффективности контроля численности насекомых-вредителей (и других паразитов, например клещей) сельскохозяйственных культур. Для этих целей чаще всего используют пестициды — либо химические, либо биологические (препараты, полученные на основе микроорганизмов, вырабатывающих токсичные для насекомых вещества). Использование последних предпочтительнее с точки зрения безопасности для здоровья человека и окружающей среды. Однако эффективность химических средств защиты растений остается намного выше, чем биологических.
Среди биопестицидов широко используется так называемый Bt-токсин (синонимы: Bt-протеин, кристаллический протеин, дельта-эндотоксин), который получают на микробиологических предприятиях путем культивирования почвенных бактерий — Bacillus thuringiensis. Данные бациллы были описаны в начале прошлого века, в тридцатые годы было установлено, что они способны вырабатывать токсичные для насекомых продукты, обладающие, что очень важно, высокой избирательностью действия. Это означает, что Bt-протеин, выделенный от одного определенного штамма бациллы, способен убивать определенный вид насекомых, например жуков, и не действует на других насекомых, например бабочек, пчел и т.д. Избирательность обусловлена специфическим механизмом токсичности Bt-протеина.
Попадая в пищеварительный тракт чувствительного к нему насекомого, Bt-протеин претерпевает изменения: под действием определенного протеолитического фермента в щелочной среде (рН 7,5 — 8,0) от исходной молекулы протеина отделяется небольшая часть (приблизительно равная одной трети молекулы), представляющая собой активную форму этого белка. Только она способна прикрепляться к специфическим рецепторам в средней части пищеварительного тракта насекомого и вызывать лизис (растворение) клеток, который приводит к образованию пор. Насекомое перестает питаться, происходит обезвоживание организма, и в конце концов наступает смерть. У нечувствительных к конкретным препаратам Bt-протеина насекомых описанные процессы не происходят, и Bt-протеин у них просто переваривается.
Естественно, Bt-протеин не представляет угрозы для теплокровных животных и человека, поскольку пищеварительный тракт у них устроен иначе, чем у насекомых, и у них другие протеолитические ферменты. Более того, Bt-протеин — весьма нестойкий белок, который легко денатурирует при нагревании, в кислой среде желудка, быстро переваривается желудочным соком (лишь разбавление желудочного сока в тысячу раз позволило построить кривую его деградации во времени: уже через десять минут от него не оставалось и следов). В остром эксперименте на мышах (15 дней скармливания Bt-протеина в дозах до 5 граммов на один килограмм веса) не установлено никаких отклонений в здоровье опытных особей. За почти сорокалетнюю историю использования препаратов на основе Bt-протеина не отмечено ни одного случая аллергий или его токсичности для людей, в том числе сотрудников предприятий, на которых его производят.
Начиная с 1960-х годов биопрепараты на основе Bt-протеина весьма широко используются в сельском и лесном хозяйстве для борьбы с насекомыми-вредителями. Их можно купить в хозяйственном магазине для применения на дачном участке (Битоксибациллин, Лепидоцид, Колептерин, Дендролин, Бацитурин и другие). К несомненным достоинствам этих препаратов следует отнести прежде всего полную безопасность для здоровья человека (не токсичны, не вызывают аллергии), а также для окружающей среды (высокая избирательность действия, они легко смываются с листьев, быстро разрушаются под действием ультрафиолетовых лучей, не способны накапливаться в растении и почве). В то же время достоинства препарата, обеспечивающие безопасность окружающей среды, являются его существенным недостатком с точки зрения эффективности: препарат способен защитить растение только на очень короткое время.
Решение этой проблемы стало возможным благодаря использованию генетической инженерии. Бактериальный ген, ответственный за
выработку Bt-протеина, был выделен из ДНК бактерий, клонирован, в некоторых случаях существенно модифицирован вплоть до искусственного синтеза отдельных его активных фрагментов, соединен с необходимыми регуляторными элементами и встроен в различные виды сельскохозяйственных растений. Чаще всего используют такие варианты Bt-генов, как crylA(b) от В. thuringiensis v. kurstaki (для кукурузы), crylA(c) от В .thuringiensis v. kurstaki (для хлопка), cryHIA от В .thuringiensis v.Tenebrionis (для картофеля).
Особенно высокая эффективность трансгенного Bt-протеина отмечена на кукурузе и хлопке. Дело в том, что вредители этих культур - личинки мотыльков европейского точильщика кукурузы, хлопкового коробочного и розового коробочного червеца — находятся на поверхности растения в течение очень короткого времени. Затем они внедряются в ткани растения и прогрызают там ходы, нанося, таким образом, существенный урон здоровью растений и урожаю. Поскольку у трансгенных сортов Bt-протеин образуется во всех зеленых тканях растения и присутствует там постоянно, то это позволяет растению защищать себя от вредителей на протяжении всего периода вегетации. При этом трансгенный Bt-протеин высокоэффективен в исключительно низких концентрациях. Так, во всей зеленой массе кукурузы в период цветения на площади в 1 гектар содержится всего 8 — 16 граммов Bt-протеина. В конце сезона эта цифра имеет еще меньшее значение — 0,8 грамма. В зрелом зерне и в силосной массе Bt-протеин отсутствует вообще: его невозможно обнаружить даже с помощью самых чувствительных аналитических методов.
Говоря о генетически модифицированных сортах, устойчивых к насекомым-вредителям, следует отметить одну важную деталь. Все они являются более совершенными продуктами генетической инженерии по сравнению с первыми гербицидоустойчивыми формами. При их создании, в частности, использованы более точные механизмы регулирования активности трансгенов за счет применения не вирусных промоторов, а растительных. Так, в Bt-кукурузе использован промотор гена фосфоенолпируваткарбоксилазы самой же кукурузы, который обеспечивает экспрессию (активность) Bt-генов исключительно в зеленых тканях растения (листьях, стебле). Именно благодаря этому нет Bt-протеина в зрелом зерне и силосе. Для создания Bt-картофеля использован другой промотор — ats 1А малой субъединицы рибулозо- 1,5-бифосфаткарбоксилазы любимого генетиками модельного растения Arabidopsis thaliana (мелкий сорняк из семейства Крестоцветных). Bt-ген, регулируемый фоточувствительным промотором, экспресси- руется на свету в 100 раз сильнее, чем в темноте. Соответственно в клубнях Bt-протеина образуется в 100 раз меньше, чем в листьях.
Если быть точным, речь идет о 0,09—0,053 микрограмма Bt-протеина на 1 грамм сырого веса клубней. Таким образом, чтобы потребить суточную дозу Bt-протеина, которую скармливали мышам в остром эксперименте (без каких-либо отрицательных последствий для их здоровья), о чем говорилось выше, человеку весом 70 килограммов необходимо съесть за сутки как минимум 700 тонн клубней!
Эти красноречивые данные свидетельствуют, что ни трансгенный картофель, ни трансгенная кукуруза не содержат в своем урожае продукта привнесенного им бактериального гена. То есть они полностью идентичны по своим потребительским свойствам сортам, полученным методами традиционной селекции.
bookzie.com
2.2.3. Трансгенные сорта сельскохозяйственных растений, устойчивые к насекомым-вредителям : Генетически модифицированные организмы мифы и реальность : Юридическая библиотека
Второй ключевой проблемой растениеводства является повышение эффективности контроля численности насекомых-вредителей (и других паразитов, например клещей) сельскохозяйственных культур. Для этих целей чаще всего используют пестициды — либо химические, либо биологические (препараты, полученные на основе микроорганизмов, вырабатывающих токсичные для насекомых вещества). Использование последних предпочтительнее с точки зрения безопасности для здоровья человека и окружающей среды. Однако эффективность химических средств защиты растений остается намного выше, чем биологических.
Среди биопестицидов широко используется так называемый Bt-токсин (синонимы: Bt-протеин, кристаллический протеин, дельта-эндотоксин), который получают на микробиологических предприятиях путем культивирования почвенных бактерий — Bacillus thuringiensis. Данные бациллы были описаны в начале прошлого века, в тридцатые годы было установлено, что они способны вырабатывать токсичные для насекомых продукты, обладающие, что очень важно, высокой избирательностью действия. Это означает, что Bt-протеин, выделенный от одного определенного штамма бациллы, способен убивать определенный вид насекомых, например жуков, и не действует на других насекомых, например бабочек, пчел и т.д. Избирательность обусловлена специфическим механизмом токсичности Bt-протеина.
Попадая в пищеварительный тракт чувствительного к нему насекомого, Bt-протеин претерпевает изменения: под действием определенного протеолитического фермента в щелочной среде (рН 7,5 — 8,0) от исходной молекулы протеина отделяется небольшая часть (приблизительно равная одной трети молекулы), представляющая собой активную форму этого белка. Только она способна прикрепляться к специфическим рецепторам в средней части пищеварительного тракта насекомого и вызывать лизис (растворение) клеток, который приводит к образованию пор. Насекомое перестает питаться, происходит обезвоживание организма, и в конце концов наступает смерть. У нечувствительных к конкретным препаратам Bt-протеина насекомых описанные процессы не происходят, и Bt-протеин у них просто переваривается.
Естественно, Bt-протеин не представляет угрозы для теплокровных животных и человека, поскольку пищеварительный тракт у них устроен иначе, чем у насекомых, и у них другие протеолитические ферменты. Более того, Bt-протеин — весьма нестойкий белок, который легко денатурирует при нагревании, в кислой среде желудка, быстро переваривается желудочным соком (лишь разбавление желудочного сока в тысячу раз позволило построить кривую его деградации во времени: уже через десять минут от него не оставалось и следов). В остром эксперименте на мышах (15 дней скармливания Bt-протеина в дозах до 5 граммов на один килограмм веса) не установлено никаких отклонений в здоровье опытных особей. За почти сорокалетнюю историю использования препаратов на основе Bt-протеина не отмечено ни одного случая аллергий или его токсичности для людей, в том числе сотрудников предприятий, на которых его производят.
Начиная с 1960-х годов биопрепараты на основе Bt-протеина весьма широко используются в сельском и лесном хозяйстве для борьбы с насекомыми-вредителями. Их можно купить в хозяйственном магазине для применения на дачном участке (Битоксибациллин, Лепидоцид, Колептерин, Дендролин, Бацитурин и другие). К несомненным достоинствам этих препаратов следует отнести прежде всего полную безопасность для здоровья человека (не токсичны, не вызывают аллергии), а также для окружающей среды (высокая избирательность действия, они легко смываются с листьев, быстро разрушаются под действием ультрафиолетовых лучей, не способны накапливаться в растении и почве). В то же время достоинства препарата, обеспечивающие безопасность окружающей среды, являются его существенным недостатком с точки зрения эффективности: препарат способен защитить растение только на очень короткое время.
Решение этой проблемы стало возможным благодаря использованию генетической инженерии. Бактериальный ген, ответственный за
выработку Bt-протеина, был выделен из ДНК бактерий, клонирован, в некоторых случаях существенно модифицирован вплоть до искусственного синтеза отдельных его активных фрагментов, соединен с необходимыми регуляторными элементами и встроен в различные виды сельскохозяйственных растений. Чаще всего используют такие варианты Bt-генов, как crylA(b) от В. thuringiensis v. kurstaki (для кукурузы), crylA(c) от В .thuringiensis v. kurstaki (для хлопка), cryHIA от В .thuringiensis v.Tenebrionis (для картофеля).
Особенно высокая эффективность трансгенного Bt-протеина отмечена на кукурузе и хлопке. Дело в том, что вредители этих культур - личинки мотыльков европейского точильщика кукурузы, хлопкового коробочного и розового коробочного червеца — находятся на поверхности растения в течение очень короткого времени. Затем они внедряются в ткани растения и прогрызают там ходы, нанося, таким образом, существенный урон здоровью растений и урожаю. Поскольку у трансгенных сортов Bt-протеин образуется во всех зеленых тканях растения и присутствует там постоянно, то это позволяет растению защищать себя от вредителей на протяжении всего периода вегетации. При этом трансгенный Bt-протеин высокоэффективен в исключительно низких концентрациях. Так, во всей зеленой массе кукурузы в период цветения на площади в 1 гектар содержится всего 8 — 16 граммов Bt-протеина. В конце сезона эта цифра имеет еще меньшее значение — 0,8 грамма. В зрелом зерне и в силосной массе Bt-протеин отсутствует вообще: его невозможно обнаружить даже с помощью самых чувствительных аналитических методов.
Говоря о генетически модифицированных сортах, устойчивых к насекомым-вредителям, следует отметить одну важную деталь. Все они являются более совершенными продуктами генетической инженерии по сравнению с первыми гербицидоустойчивыми формами. При их создании, в частности, использованы более точные механизмы регулирования активности трансгенов за счет применения не вирусных промоторов, а растительных. Так, в Bt-кукурузе использован промотор гена фосфоенолпируваткарбоксилазы самой же кукурузы, который обеспечивает экспрессию (активность) Bt-генов исключительно в зеленых тканях растения (листьях, стебле). Именно благодаря этому нет Bt-протеина в зрелом зерне и силосе. Для создания Bt-картофеля использован другой промотор — ats 1А малой субъединицы рибулозо- 1,5-бифосфаткарбоксилазы любимого генетиками модельного растения Arabidopsis thaliana (мелкий сорняк из семейства Крестоцветных). Bt-ген, регулируемый фоточувствительным промотором, экспресси- руется на свету в 100 раз сильнее, чем в темноте. Соответственно в клубнях Bt-протеина образуется в 100 раз меньше, чем в листьях.
Если быть точным, речь идет о 0,09—0,053 микрограмма Bt-протеина на 1 грамм сырого веса клубней. Таким образом, чтобы потребить суточную дозу Bt-протеина, которую скармливали мышам в остром эксперименте (без каких-либо отрицательных последствий для их здоровья), о чем говорилось выше, человеку весом 70 килограммов необходимо съесть за сутки как минимум 700 тонн клубней!
Эти красноречивые данные свидетельствуют, что ни трансгенный картофель, ни трансгенная кукуруза не содержат в своем урожае продукта привнесенного им бактериального гена. То есть они полностью идентичны по своим потребительским свойствам сортам, полученным методами традиционной селекции.
bookzie.com
