БИОТЕХНОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ И БИОБЕЗОПАСНОСТЬ - А. П. Ермишин - 2015

Введение

В широком понимании термин «биотехнология» означает использование живых организмов для производства различных продуктов, веществ и энергии. При этом речь идет не столько о производстве сельскохозяйственной продукции путем выращивания растений или разведения животных, сколько об использовании прежде всего микроорганизмов. Хлебопечение, пивоварение, производство кисломолочной продукции, квашение овощей, виноделие, производство спирта и др. - все это примеры традиционных микробиологических биотехнологий. Исторически сложилось так, что под биотехнологией долгое время понимали использование именно микроорганизмов, поскольку все перечисленные выше традиционные биотехнологии ассоциируются с промышленным производством. Более того, во второй половине XX в. сложилась крупная отрасль промышленности - микробиологическая. На микробиологических предприятиях с помощью специальных штаммов бактерий, дрожжей производятся различные фармацевтические препараты, средства защиты растений, биоудобрения, всевозможные пищевые продукты и сырье.

После разработки эффективных методов культивирования изолированных клеток и тканей растений на искусственных питательных средах появилась возможность применять для растений методы селекции и технологии, ранее используемые для микроорганизмов. Среди них можно назвать такие, как клеточная селекция, позволяющая на селективных средах отбирать генетически измененные клетки с заданными свойствами, производство в промышленных масштабах различных веществ культивируемыми клетками растений. Однако растительные клетки, в отличие от одноклеточных микроорганизмов, несут генетическую информацию, необходимую для функционирования многоклеточного организма. Благодаря присущему им свойству тотипотентности у исследователей имеется возможность регенерировать из клеток целые растения и, таким образом, переносить генетические изменения, индуцированные на уровне отдельных клеток, на организменный уровень. Кроме того, разработка методов получения и культивирования протопластов растений (клеток, освобожденных из их целлюлозных оболочек) открыла новые возможности генетических манипуляций, например, использование соматической гибридизации путем слияния протопластов для преодоления межвидовых репродуктивных барьеров. Применение технологии получения гаплоидов и удвоенных гаплоидов в культуре генеративных клеток растений позволило значительно ускорить селекционный процесс, повысить его эффективность. Широкое распространение получили технологии клонального размножения растений in vitro, внедрение которых в практику кардинально изменило систему семеноводства многих вегетативно размножаемых сельскохозяйственных, лесных и декоративных культур. Все перечисленные, а также ряд других технологий, предполагающих применение методов культуры клеток, тканей и органов in vitro, относят к биотехнологии растений.

Последние годы ХХ в. характеризовались бурным развитием биотехнологий, основанных на достижениях молекулярной биологии и генетики, которые получили название «современные биотехнологии» (генетическая инженерия). Благодаря разработке методов выделения наследственного материала (ДНК), его изучения

(идентификации последовательностей, кодирующих определенные гены), создания его новых комбинаций с помощью манипуляций, осуществляемых вне клетки (технология рекомбинантных ДНК), и перенесения этих новых генетических конструкций в геном клетки были получены так называемые генетически модифицированные организмы (ГМО) (синонимы: живые измененные организмы, трансгенные организмы, организмы с новыми свойствами и др.). Характерной особенностью ГМО является присутствие в их геноме рукотворных фрагментов ДНК, которые могут содержать самые разнообразные гены с соответствующими регуляторными элементами, вследствие чего они приобретают полезные для человека признаки, многие из которых невозможно получить с помощью традиционной селекции.

Первоначально объектами генетической инженерии были микроорганизмы. Однако благодаря тому, что к моменту ее появления (1972) были уже хорошо разработаны методы культуры растительных клеток, прогресс в области генетической инженерии растений проходил очень быстро. Уже в начале 1980-х гг. были получены первые трансгенные формы на модельных растениях (табак), а в 1992 г. началось промышленное возделывание сельскохозяйственных ГМ-культур. Трансгенные сорта сельскохозяйственных растений, устойчивые к гербицидам, вирусам, насекомым-вредителям, с улучшенными качественными характеристиками занимают сотни миллионов гектаров. Продукты питания, изготовленные из ГМО, теперь уже не редкость на прилавках магазинов многих стран мира.

Несмотря на блестящие перспективы, появление ГМО было встречено населением и научной общественностью настороженно. Возможные неблагоприятные воздействия ГМО на здоровье человека и состояние окружающей среды вызывали опасения и даже открытое неприятие во многих странах. Опыт масштабного выращивания трансгенных сортов сельскохозяйственных растений показал, что большинство этих опасений не имеет оснований. Тем не менее история использования ГМО еще коротка. Поэтому в большинстве развитых стран применяют систему мероприятий, направленных на предотвращение или снижение до безопасного уровня неблагоприятных воздействий ГМО, которая получила название «биобезопасность». Биобезопасность (безопасность генно-инженерной деятельности) имеет два основных аспекта. Первый из них связан с разработкой и применением методов оценки и предупреждения риска возможных неблагоприятных воздействий ГМО, второй - с системой государственного и межгосударственного регулирования безопасности генно-инженерной деятельности. Таким образом, в настоящее время к биотехнологии растений относят не только технологии, основанные на культуре клеток, тканей и органов in vitro, но и технологии создания и использования генетически модифицированных растений, проблемы обеспечения их безопасности.

Настоящее пособие подготовлено по материалам одноименного курса лекций, который читается одним из авторов (А. П. Ермишин) для студентов биологического факультета БГУ. В нем рассматриваются: методология культивирования клеток, тканей и органов растений in vitro; направления использования методов культуры клеток, тканей и органов растений в селекционно-генетических исследованиях для клонального размножения растений in vitro, поддержания генетических коллекций, для производства химических соединений; методология получения трансгенных растений и направления их использования; проблемы биобезопасности. В конце каждой главы имеется заключение, в котором изложены ее основные положения, а также список вопросов для повторения, которые должны способствовать лучшему усвоению прочитанного.

Введение, главы 1-10 написаны А. П. Ермишиным, глава 11 - А. П. Ермишиным и Е. В. Воронковой, которая также осуществляла подбор иллюстраций. Авторы благодарны кандидату биологических наук Е. Г. Попову за предоставление материалов для главы 4.