Текст книги "Кризис аграрной цивилизации и генетически модифицированные организмы"

Автор книги: Валерий Глазко

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 19 страниц)

Генетически модифицированная кукуруза

Кукуруза – однодомное, раздельнополое растение, относится к классу однодольных,   семейству   Роасеа,   трибе   Andropogoneae, подтрибе Trisacinae, род Zea. Включает следующие виды: Zea mays L. (2n=20) – кукуруза; Z.mexicana (2n=20) – однолетнее теосинте из Мексики и Западной Гватемалы; Z.luxurians (2n=20) – однолетнее теосинте из Южной Гватемалы, Гондураса и Юго-восточных районов Мексики; Z.diploperennls (2n=20) – многолетнее диплоидное теосинте из Мексики; Z.perennis (2n=20) – многолетнее тетраплоидное теосинте из Мексики (Дорофеев и др., 1988). Генетические и биохимические исследования показали, что теосинте – ближайший родственник кукурузы. Результаты гибридизации показали идентичность геномов этих видов, хотя выделены гены, уникальные для теосинте (двухрядный колос, одиночные колоски, выраженная реакция на продолжительность дня и тд.).

Кукуруза – одно из древнейших культурных растений. Америка является первичным и вторичным центром ее происхождения и одомашнивания, здесь наблюдается наибольшее разнообразие форм этой культуры и здесь она довольно широко распространена. Найденные археологами образцы примитивной кукурузы датируются приблизительно 6-м тысячелетием до н.э. В результате селекции эта культура имеет множество морфотипов, приспособленных к различным экологическим условиям от тропиков до высокогорных районов.

Кукуруза – наиболее продуктивная и распространенная культура. По площади возделывания в мире она стоит на третьем месте после пшеницы и риса, по валовому сбору зерна – на первом (в 2006 г. в мире было собрано 683 млн т кукурузы, 635 – риса и 615 – пшеницы – ред.).

В результате тысячелетий отбора возникли основные группы кукурузы, различающиеся консистенцией эндосперма зерновки. Они являются основой внутривидовой систематики и отражают основные направления отбора и этапы эволюционного становления различных форм. Единого мнения о такой классификации пока нет. Многие рассматривают эти формы как мутанты.

Выделяют следующие группы кукурузы: Z.mays everta – лопающаяся, Z.mays Indurata – кремнистая, Z.mays amylacea – крахмалистая, Z.m. indentata – зубовидная, Z.m. saccharata – сахарная, Z.m. ceratina – восковидная, Z.m. tunicata – пленчатая. Кукуруза – хороший модельный объект генетических исследований. Благодаря этому многие признаки хорошо изучены, выделены и синтезированы различные генотипы, в том числе доноры хозяйственно ценных признаков и свойств.

Это важнейшая культура, выращиваемая в большинстве стран. Она широко используется в рационах питания человека и кормах для животных. В кукурузе высоко содержание тиамина, необходимого для осуществления нормальной деятельности головного мозга и других функций организма. В этом плане с ней не сравнится ни один продукт растительного происхождения: 100 г кукурузы содержит до 150 мг этого витамина. Для выполнения своих функций тиамину необходим марганец, который также присутствует в кукурузе в высоких концентрациях. Эта культура богата витамином Н (биотин), который нужен для поддержания красоты волос и здоровья кожи. Немаловажное значение имеет достаточно высокое содержание в кукурузе железа, необходимого для кроветворения и дыхания клеток, магния, важного для нормального функционирования мышц и сердца. Широко известно, что чай из кукурузных рыльцев понижает кровяное давление и уровень сахара в крови, содержит эфирное масло, витамины С и К и другие биологически активные вещества.

В настоящее время создано более десятка сортов ГМ кукурузы с целью повышения ее урожайности. Большинство из них обладает устойчивостью к стеблевому мотыльку – насекомому, поедающему ее стебель. Создано также несколько сортов ГМ кукурузы, устойчивой к различным пестицидам.

В России 6 видов ГМ кукурузы прошли систему регистрации и разрешены для реализации населению и использования в пищевой промышленности. Однако мониторинг за оборотом пищевой продукции, полученной из кукурузы, показал, что ГМ кукуруза, ввозимая в страну для использования в пищевой промышленности, и продукты ее переработки составляют менее 1% от всей поступающей для этих целей из-за границы кукурузы. ГМ кукуруза, импортируемая в Россию, относится к сортам MON 810, устойчивому к стеблевому мотыльку, MON 863 – к жуку диабротика и NK 603 – к глифосату.

Дальнейшие разработки в области получения различных сортов ГМ кукурузы направлены на изменение структуры крахмала для улучшения технологических параметров этой культуры, модификации кукурузного масла, на повышение содержания лизина и триптофана в белках кукурузы.

Генетически модифицированный картофель

По количеству выращиваемого картофеля Россия сегодня занимает 1 место в Европе и второе в мире после Китая. Картофель – один из основных компонентов рациона россиян и украинцев. Он содержит в своем составе почти все минеральные вещества и микроэлементы – магний, кальций, фосфор, натрий и калий, находящиеся в идеальном соотношении. Высока концентрация витамина С в клубнях – 20 мг на 100 г продукта. Картофель содержит много клетчатки, участвующей в регулировании работы кишечника, а его высококачественный растительный белок в соединении с животными белками творога, яиц и сыра – лучшая замена мяса.

Тем обиднее, что при выращивании картофеля в России до 50% урожая теряется из-за колорадского жука. Это заставляет использовать различные ядохимикаты для борьбы с этим насекомым. Создание генетически модифицированных сортов картофеля значительно увеличило бы его урожайность и сохранность и уменьшило применение пестицидов при его возделывании.

В мире создано несколько сортов картофеля, устойчивого к колорадскому жуку, и два из них разрешены для реализации населению и использования в пищевой промышленности в России. Эти сорта картофеля, созданные фирмой «Монсанто», могут импортироваться только как пищевые продукты, но не в качестве семян для выращивания. В настоящее время в России ведутся интенсивные исследования с целью создания отечественных сортов ГМ картофеля, в том числе и устойчивого к колорадскому жуку.

Дальнейшее развитие в этой области связано с получением картофеля с улучшенной пищевой ценностью. Например, ведутся разработки по созданию картофеля с повышенным содержанием белка и повышенным содержанием лизина в нем.

Мониторинг за оборотом пищевой продукции, произведенной из картофеля, показал пока отсутствие генетически модифицированного картофеля на внутреннем рынке Российской Федерации.

Генетичесии модифицированные томаты

Первым генетически модифицированным пищевым продуктом, который поступил в продажу в 1994 году в США, был помидор под названием «ФЛАВР САВР», произведенный компанией «Кэлджин», а первым продуктом, полученным из ГМ томатов и появившимся в магазинах Великобритании, – томатное пюре, изготовленное из ГМ томатов фирмы «Зенека плант сайенс».

Помидоры обычно собирают незрелыми, а затем обрабатывают этиленом (природным газом, ускоряющим созревание), чтобы они приобрели красный цвет. В ГМ томатах с помощью двух разных генных технологий был замедлен синтез фермента, повреждающего стенки клеток помидоров, из-за чего они при хранении становятся мягкими. ГМ томаты могут дольше оставаться на стебле, что позволяет им набрать и аромат, и цвет и сохранить достаточную твердость.

Сейчас в мире разрешено для выращивания и реализации населению несколько сортов ГМ томатов, однако посевные площади, занятые ими, незначительны, в связи с чем и вероятность их попадания на внутренний рынок Российской Федерации практически равна нулю. Кроме того, ни один ГМ томат на сегодня не прошел систему регистрации в стране. Результаты мониторинга за оборотом пищевой продукции из помидоров также показывают отсутствие таких продуктов на внутреннем рынке России.

В настоящее время в мире ведутся интенсивные разработки для получения томатов с измененным химическим составом: с увеличенным содержанием ликопенов (биологически активных веществ, снижающих риск развития онкологических заболеваний); с увеличенным содержанием флавоноидов (биологически активных веществ, снижающих риск развития сердечно-сосудистых заболеваний).

Генетически модифицированная соя

Культурная соя (Glycine Мах) – однолетнее растение, происходящее из Восточной Азии, вероятно, из северного Китая. На протяжении веков эта культура являлась важным источником пищевых белков для Восточной Азии, но только недавно (в начале XX в.) появилась, в частности, в Америке. Сухие семена сои содержат около 40% белков и около 20% масла.

К настоящему времени 80% всего растительного масла, производимого в Америке, представлено соевым, множество пищевых продуктов имеют в своем составе соевые добавки.

Соя – преимущественный самоопылитель (99%), хотя пчелы и собирают нектар с ее цветов. Анализ генетической структуры по биохимическим маркерам свидетельствует о большой чистоте сортов данной культуры.

Дикая соя (предшественник культурной) – Glicine soya, G.ussuriensis – однолетнее вьющееся растение с небольшими, темно-коричневыми или черными семенами. Цветы имеют пурпурный венчик, их морфология соответствует цветам культурной сои. Дикая соя растет в Китае, Японии, Корее и Тайване. Glicine max и Glicine soya скрещиваются и дают плодовитое или частично плодовитое потомство. Имеющиеся в некоторых линиях G.soya одна хромосомная транслокация или одна либо более инверсий снижают плодовитость. У культурной, так же как и у дикой сои, одинаковое количество хромосом (2п=40). Предполагается, что дикая соя является предшественником культурной, а некоторые авторы относят их даже к одному виду.

Соя имеет длительную историю культивирования. Известно, что в Китае сою выращивали еще 4000 лет назад. Уже тогда продукты из соевых бобов использовали в лечебных целях, например, как эффективное средство при заболеваниях почек и отравлениях.

Соевый белок – уникальный белок растительного происхождения, содержащий все незаменимые аминокислоты, что позволяет в достаточной степени обеспечить потребности в них различных возрастных групп населения. По сравнению с мясом, рыбой и птицей соя как поставщик белка обладает неоспоримым преимуществом: ее аминокислоты легче выделяются из пищевой массы и лучше усваиваются. В Поднебесной сою называют «китайской коровой», поскольку из нее изготовляют отличную альтернативу молоку животных. Соевое молоко – полноценный и целебный источник белка, не содержащий насыщенных жиров.

Соевые продукты вносят большой вклад в профилактику заболеваний сердечно-сосудистой системы, которые значительно ухудшают качество жизни миллионов граждан, особенно в пожилом возрасте. Результаты клинических исследований, проведенных в разных странах мира, показали существенное снижение концентрации холестерина и других жиров в крови при использовании в рационе добавок из соевых белков или перехода на них как на основной источник белка.

Соя, аналогично синтетическим лекарственным средствам, снижает концентрацию холестерина и других жиров в крови. Однако в случае применения лекарственных средств могут наблюдаться побочные эффекты, которые не возникают при употреблении в пищу соевых белков. Снижение уровня холестерина в крови с помощью продуктов из соевых бобов связано с содержащимися в них изофлавонами.

Данные японских исследователей показали, что рацион, богатый соевыми белками, способствует также снижению артериального давления из-за содержания в них пептидов, обладающих гипотензивным действием.

Смеси из изолятов соевого белка активно используются в детском питании в качестве заменителей грудного молока, что является спасением для детей, обладающих аллергией на белки коровьего молока или непереносимостью лактозы. Кроме того, между соевыми смесями и молочными смесями, которые используются в качестве заменителей женского молока, есть важное различие. Состав жиров в соевой смеси полезнее, чем в молочной, – в ней много ненасыщенных жиров, она содержит и целебные жирные кислоты типа омега-3 и омега-6, благотворно влияющие на рост, физическое и умственное развитие детей.

В последние годы выяснилось, что изофлавоны сои могут играть важную роль и в профилактике заболеваний простаты. Хотя защитная роль изофлавонов требует дальнейшего научного обоснования, эпидемиологические исследования показывают гораздо меньшую распространенность этих заболеваний в странах, где соя – один из основных продуктов питания, например в Японии. В Корее эти заболевания встречаются в 30 раз реже, чем в странах с низким потреблением сои.

Клинические исследования, проведенные в последнее десятилетие, показали, что включение в рацион женщин 160 мг соевых изофлавонов существенно снижает климактерические симптомы, не вызывая при этом побочных эффектов, которые наблюдаются в случае применения синтетических эстрогенов и эстрогенов животного происхождения.

Продукты из соевых бобов содержат уникальный полноценный белок, целый ряд витаминов, особую роль среди которых играет витамин Е, защищающий клетки от губительного действия свободных радикалов, минеральные вещества: железо, имеющее большое значение для кроветворения, калий, играющий важную роль в регулировании работы сердца, а также биологически активные вещества, способствующие профилактике целого ряда заболеваний.

В последние годы соя нашла более широкое применение в питании детей и взрослых и в лечебно-профилактическом питании. В связи с этим возникла необходимость в увеличении производства продуктов из соевых бобов, и здесь важную роль сыграла генная инженерия. Среди созданных в мире генетически модифицированных культур соя занимает доминирующее положение. Цель ее генетических модификаций – значительно повысить урожайность этой важной продовольственной культуры. Созданы сорта сои, устойчивые к пестицидам и вредителям. По данным Министерства сельского хозяйства США, генетически модифицированная соя составляет более 80% от всей выращиваемой в этой стране и 55% от всей производимой сои в мире.

Как показывают результаты мониторинга за оборотом пищевой продукции, имеющей генетически модифицированные аналоги, проведенные Институтом питания РАМН, процент генетически модифицированной сои, представленной в России, колеблется от 20 до 40% в зависимости от региона. 99% генетически модифицированной сои на рынке составляет соя линии 40-3-2. Дальнейшие разработки в этой области связаны с созданием сои, обладающей улучшенной пищевой ценностью и вкусовыми качествами.

Усовершенствование качественных характеристик продукции растениеводства

В рамках данного направления ведутся работы по изменению генетического материала растений, направленные на уменьшение накопления вредных веществ, увеличение накопления полезных, и вообще на коренное изменение характеристик продукции, повышающее ее диетические, вкусовые и пищевые качества.

Примером работ по уменьшению накопления токсичных веществ могут служить попытки создания батата, который не накапливает цианогенных глюкозидов в корнях и листьях. Данная культура является важным продуктом питания 400 миллионов человек, главным образом в развивающихся странах. Однако накопление растениями батата цианогенных глюкозидов, таких, как линамарин и (в меньшем количестве) лотаустралин влияет на возникновение, по крайней мере, двух заболеваний.

В рамках этих работ сначала было проведено изучение путей образования цианогенных глюкозидов у сорго, идентифицирован ген (CPY79A1), участвующий в этом процессе, и найден аналог этого гена в базе данных арабидопсиса. На основании анализа последовательностей обоих генов были выделены консервативные участки (наименее отличающиеся для обоих генов). Путем ПЦР-амплификации этих консервативных участков у батата был выделен подобный ген, кодирующий, как оказалось, фермент, ответственный за синтез соединений, которые разлагают предшественники цианидов в батате. Было найдено два аллельных варианта данного гена и откартировано его положение в геноме. Данные используются при создании антисмысловых конструкций для блокировки этого гена, что должно предотвратить синтез цианогенных глюкозидов у батата.

Биотехнологи добились и других успехов. Им удалось получить особые помидоры. У них плоды краснее, круглее, тяжелее обычных, они имеют характерный запах и структуру, а плотность их такова, что они прыгают, как мячики. Точнее говоря, выведены два новых сорта помидоров. Один предназначен для использования при приготовлении первых блюд. Для плодов этого сорта характерна повышенная плотность. Они мясисты, потому что содержат мало жидкости. У второго сорта плоды темно-красные, круглые, как апельсины, их мякоть почти так же плотна, как у дыни. Плоды хорошо хранятся и переносят транспортировку.

Скорость, с которой биотехнология осваивает в сельском хозяйстве новые рубежи, потрясает.

Направления коммерческого использования генетически модифицированных организмов

В мире наблюдается глобальное падение эффективности возделывания зерновых (no Tilman et al., 2002). С 1960 г по 2000 глобальная продуктивность зерновых возросла примерно в 2,3 раза, в том числе и в расчете на 1 гектар. В то же время вклад в увеличение урожайности зерновых с 1960 по 2000 г увеличился: воды – в 2 раза, азотных удобрений – в 10 раз, фосфорных удобрении – в 7,5 раз, пестицидов – в 6 раз. Эффективность вклада азотных удобрений в получение урожая зерновых с 1960 г по 2000 г упала в 4 раза.

Для современного сельского хозяйства характерны экспоненциальный рост затрат невосполнимой энергии на каждую дополнительную единицу продукции (в том числе пищевую калорию), нарушение экологического равновесия в агроэкосистемах и агроландшафтах, все большая их генетическая однотипность и уязвимость, а также усиливающаяся зависимость от нерегулируемых факторов внешней среды и применения антропогенной энергии. Парадоксальность сложившейся в XXI столетии ситуации в сельском хозяйстве состоит в том, что отрасль, базирующаяся на использовании неограниченных и экологически безопасных ресурсах Солнца и биосферы, оказалась в числе наиболее ресурсо– и энергорасточительных и природоопасных. Так, если бы все страны расходовали на 1 га сельхозугодий такое же количество ископаемой энергии, как в США и Западной Европе, то 80% мировых энергоресурсов пришлось бы тратить только на сельское хозяйство. Односторонняя, преимущественно химико-техногенная интенсификация земледелия в промышленно развитых странах, как, впрочем, и стихийная экстенсификация агропромышленного комплекса в странах СНГ и Восточной Европы, не позволяют перейти к ресурсосберегающим и экологичным технологиям.

Наблюдается усиление зависимости вариабельности величины и качества урожая от нерегулируемых факторов внешней среды, доля которых по основным зерновым культурам превышает 60%.

Потенциальная урожайность сортов и гибридов реализуется лишь на 25-40% вследствие недостаточной, а зачастую и снижающейся устойчивости растений к действию абиотических и биотических стрессоров. Снижается экологическая устойчивость и качество урожая, а также средоулучшающих (почвозащитных, фитосанитарных и др.) и ресурсовосстанавпивающих свойств сортов и гибридов растений при достижении ими высокой потенциальной урожайности.

В глобальном масштабе наблюдается недостаточная приспособленность сортов и гибридов к конструированию высокопродуктивных, экологически устойчивых и эстетических агроэкосистем и агроландшафтов

Снижение производства зерновых на душу населения в глобальном масштабе, увеличение производства животноводческой продукции – результат истощения растениеводством почв агросистем.

Исходно разработка методов трансгеноза у сельскохозяйственных животных и растений обосновывалась необходимостью конструкции новых геномов, обеспечивающих более высокую продуктивность и устойчивость к неблагоприятным воздействиям. Существенные практические достижения в этом направлении получены у растений.

Ученые настроены чрезвычайно оптимистично. Вдохновенно обсуждают планы применения генной инженерии для получения чудо-растений. Однако далеко не все разделяют оптимизм исследователей. В США намерение биологов перейти в ближайшее время от лабораторных опытов к испытаниям в природных условиях все новых сортов ГМ растений вызывает активный протест защитников окружающей среды. Противники генной инженерии требуют запретить генетические манипуляции над растениями в природных условиях. Их путает возможность создания устойчивого к засухам, гербицидам и холоду вида растений, который, выйдя из-под контроля, начнет бурно размножаться и вытеснит всю дикорастущую флору.

В то же время, рекомбинантные ДНК-технологии продолжают осваивать все новые и новые сферы человеческой деятельности.

Так, например, ведутся работы по созданию биологического «антифриза». Убытки, связанные с заморозками, составляют в США более миллиарда долларов в год. И, как выяснилось, во многом тут виноваты бактерии. Именно они способствуют образованию губительных кристалликов льда. При отсутствии на поверхности листьев бактерий видов Pseudomonas syringae и Erwinia herbicola вода на растениях с падением температуры не замерзает, а становится переохлажденной. Растения при этом могут выдерживать температуру до -8 ^оС. Заморозки вредят растениям, только если на них образуется лед. А для начала кристаллизации сверхохлажденной воды нужны «ядра» или «центры» кристаллизации. Этими «ядрами» и служат бактерии упомянутых видов. На них-то и «нанизываются» образующиеся кристаллики льда.

Сначала американские ученые (Висконсинский университет) пытались бороться с бактериями, опрыскивая поле стрептомицином. Но ясно, что широкое использование этого средства неблагоприятно скажется на окружающей среде. Поэтому тактику борьбы пришлось поменять. Было решено натравить на бактерии убивающие их вирусы – бактериофаги.

Лабораторные эксперименты обнадежили. В течение нескольких часов удавалось уничтожить более 90% льдообразующих бактерий. Еще более иезуитский прием – генноинженерными методами так преобразовать бактерии, чтобы они более не вызывали кристаллизации льда. Для этого прежде всего следовало выяснить, что делает бактерии «ядрами» кристаллизации.

Ученые приготовили из ДНК P.syringae набор (библиотеку) фрагментов самой разной длины. Каждый из фрагментов был затем «вшит» в кишечную палочку, которая обычно не вызывает образования кристалликов льда, и один из фрагментов превратил Escherichia coli в ядро кристаллизации.

Затем – следующий этап этой работы – биоинженеры «вырезали» из ДНК бактерии кусок, «ответственный» за кристаллизацию. И такой ДНК (ее назвали «минус лед») заменили «нормальную» ДНК бактерии P.syringae. Распыление культуры полученных бактерий на опытных участках повышало морозостойкость растений, но применение этого метода пока экономически неэффективно. Кроме того, бактерии, вокруг которых образуются кристаллики льда, скорее всего, играют в природе заметную роль. При занесении их воздушными потоками в верхние слои атмосферы они способствуют образованию дождя и снега. Что произойдет, если исходные, «нативные» бактерии не выдержат «конкуренции» с модифицированными человеком микробами?