VIII. Улучшение продуцентов, используемых в производстве, методами генетической инженерии.

Генетическая инженерия дает в руки биотехнологов не только новые продуценты ценных соединений, но позволяет также повышать эффективность организмов, используемых в производстве. Здесь генетическая инженерия идет рука об руку с традиционными методами селекции. Распространенным способом повышения выхода полезного продукта является амплификация – увеличение числа копий генов. Один из первых успешных результатов в этой области описан в 1974 году. Триптофановый оперон E.coli клонировали в составе плазмиды. Синтез ферментов триптофанового оперона в клетках E.coli, содержащих гибридную плазмиду, резко возрастал, количество этих ферментов составляло более 25 % от общего белка клетки. Амплификацией генов в составе векторов получены высокоэффективные продуценты треонина и пролина. Такие биотехнологически ценные продукты, как антибиотики, аминокислоты, витамины, характеризуются в большинстве случаев длинными и сложными путями биосинтеза, который управляется десятками различных генов. Выделение этих генов и их клонирование с целью амплификации часто представляют собой трудновыполнимую задачу. В ряде случаев, однако, синтез антибиотиков, например, пептидной природы, идет в мультиферментных комплексах, кодируемых одним опероном, который может быть сравнительно легко встроен в подходящий вектор и клонирован. Если же гены не скомпонованы в единый оперон и разбросаны по геному, повышение выхода продукта достигается клонированием генов, соответствующих узким местам биосинтеза. Амплификация этих генов стимулирует протекание реакций, лимитирующих скорость всего процесса. У ряда бактерий узкое место соответствует не синтезу продукта, а его экскреции из клетки. Повышение эффективности транспорта продукта из клетки в культуральную жидкость создает «тягу» для ускорения синтеза новых порций продукта, например, аминокислот. Известно, что одни и те же системы транспорта у бактерий часто отвечают за экскрецию нескольких типов соединений. Например, у E.coli выделение аминокислот и выброс поглощенного клеткой тетрациклина (способ защиты клетки от действия этого антибиотика) обеспечивается единой транспортной системой. Применительно к E.coli получены плазмидные векторы, несущие гены повышенной устойчивости к тетрациклинам за счет их более эффективного удаления из клеток. Ожидается, что трансформация E.coli этими плазмидами с последующим скринингом штаммов, наиболее устойчивых к тетрациклину, приведет к получению высокоэффективных продуцентов аминокислот. У представителей рода Streptomyces синтез окситетрациклина находится под контролем нескольких десятков генов. Процесс в целом и его регуляция изучены еще недостаточно. Дикие штаммы стрептомицетов устойчивы к канамицину. Существуют мутанты, чувствительные к этому антибиотику. Оказалось, что ревертанты, полученные введением генов устойчивости к канамицину, одновременно повышают уровень синтеза окситетрациклина. Повышение эффективности традиционных методов достигается также с помощью локализованного (сайт-специфического) мутагенеза in vitro. Например, химическими мутагенами обрабатывают не весь геном в составе клеток, а его фрагмент с интересующим нас геном, полученный с помощью рестриктазы. Более тонкое вмешательство в структуру гена осуществляется путем его химико-ферментативной модификации, вплоть до замены отдельных триплетов. Раньше, до появления методов генетической инженерии, селекционер шел от продукта к гену, имея в распоряжении мутанты по тому или иному белку. Он стремился выяснить расположение соответ- ствующих мутаций в геноме, составить генетическую карту. Ныне биотехнолог, вооруженный методами генетической инженерии, движется от гена к продукту, внося заранее определенные изменения в нуклеотидную последовательность ДНК. Он контролирует изменения в соответствующем белке. Таким путем может быть достигнута оптимизация структуры ферментов, гормонов, вакцин-антигенов. Манипуляции со структурой белков в результате модификации кодирующих их генов составляют суть белковой инженерии. Одна из ее задач – совершенствование уже полученных генноинженерных продуцентов биологически активных белков. К важным направлениям генноинженерных разработок следует отнести также смену питательных потребностей продуцента в целях расширения сырьевой базы промышленности и увеличение эффективности конверсии субстрата. Так, после введения соответствующих генов клетки E.coli продуценты треонина стали утилизировать сахарозу. Трансплантация гена глутаматдегидрогеназы от E.coli в клетки метилотрофа Methylophilus methylotrophus позволила повысить эф- фективность. Современные подходы к управлению генотипической изменчи- востью в селекции растений основаны на положениях экологической генетики об особенностях формирования и функционирования адаптивного потенциала высших организмов. В числе таковых принципиально новые взгляды на роль мутаций и рекомбинаций у цветковых растений; на генетическую природу структурной организации и функционирование количественных признаков; на растение как интегрированную систему генетических детерминантов ядра и цитоплазмы (всего идиотипа), а не мешка горошин-генов менделирующих признаков; роль абиотических и биотических условий внешней среды, выступающих не только в качестве факторов отбора (функция сепарации), но и индукторов мутационной и рекомбинационной изменчивости организмов. Таким образом, речь идет о несостоятельности представлений об онтогенетической адаптации высших растений как «реестре» конститутивных и приспособительных признаков, о якобы свободном комбинировании признаков при скрещивании, то есть неограниченной генотипической изменчивости и ее достаточности, о возможностях сохранения генофонда в условиях его экологической пассивности (по принципу «эрмитажа», «ноева ковчега» и даже стержневой коллекции) и т. д. Можно считать доказанным, что целостность генома вида (а во многих аспектах и сорта) защищена каскадом генетических систем, канализирующих процессы генетической изменчивости и ограничи- вающих спектр доступных естественному и искусственному отбору рекомбинантов (особенно интрогрессивных и трансгрессивных). Другими словами, status quo генофонда высших эукариот количественно и качественно поддерживается множеством механизмов. Разумеется, роль канализированности генетической изменчивости, весьма относительная при естественной эволюции, оказывается существенной в селекции, когда на создание новых сортов растений со все большей урожайностью и комплексом хозяйственно ценных признаков отводятся лишь считанные годы. Бесспорно, мы еще весьма далеки от полного использования той генетической изменчивости, которая обеспечивается за счет традиционных методов селекции. Однако необходимость расширения и качественного изменения спектра доступной отбору генотипической изменчивости культурных расте- ний стала очевидной и неотложной. В настоящее время в дискуссиях по проблемам генетической инженерии основной упор делается на критериях, показателях и методах оценки пищевой безопасности генетически модифицированных организмов (ГМО) и получаемых из них продуктов.

Между тем главное внимание должно быть уделено эволюционной, биологической и экологической безопасности ГМО. Вся история развития сельского хозяйства (да и цивилизации в целом) многократно доказывала па- губность подмены широкого научного базиса узким сиюминутным прагматизмом и всякого рода целесообразностью (экономической, политической, конъюнктурной и пр.). Санитарно-гигиеническая и медико-биологическая экспертизы играют хотя и важную, но только вспомогательную роль, когда речь идет об эволюции организмов, действительно управляемой волей человека. Кроме того, следует соотносить угрозу голода (которая вполне реальна) с действительными возможностями биоинженерии вообще и генетической инженерии в частности, в обеспечении продовольственной безопасности населения в предстоящий период. Генная инженерия – хотя и исключительно важный, но лишь один из многочисленных методов управления генетической изменчивостью организмов, широко используемых в селекционной практике. И если число трансгенных сортов в настоящее время исчисляется десятками, то обычных – десятками тысяч и охватывает не 150, а свыше 5 тыс. культивируемых видов растений. Задачи традиционной селек- ции значительно шире: они включают как продукционные, так и сре- доулучшаюшие направления, а также введение в культуру новых видов.

И, наконец, современные методы селекции позволяют манипулировать одновременно десятками признаков, включая полигенные, тогда как возможности трансгеноза ограничиваются единичными генами. Такое действительно выдающееся достижение человеческого разума, как генетическая инженерия, не нуждается в вымыслах и преувеличениях, которые и без того усиливают чувство неуверенности людей при использовании продуктов, производимых с помощью ГМ- растений и животных.

Очевидно, что наряду с принципиально новыми возможностями, которые связаны с передачей наследственной информации между таксономически отдаленными организмами (принадлежащими к различным царствам, родам, семействам и видам), будет постоянно увеличиваться и число направлений, по которым методы генной инженерии будут интегрироваться в современную тех- нологию селекции растений.

Еще в 1970-х годах генетическая инженерия обсуждалась в духе чудес

F. Hoyle, предсказывавшего в XIX веке возможность получения гибридов между растениями и животными. Изначально термин «генетическая инженерия» применяли для обозначения целенаправленной манипуляции наследственными детерминантами с целью изменения существующих видов. В настоящее время этим термином обычно обозначают генетические манипуляции, с помощью которых формируется организм, имеющий новую комбинацию наследуемых признаков. Заметим, что в смысле управления наследственностью «генети- ческую инженерию» использовали в течение тысячелетий безымянные селекционеры, благодаря которым еще в эпоху неолита и было введено в культуру абсолютное большинство возделываемых в настоящее время видов растений. Следует признать, что биоинженерия в отличие от традиционных методов селекции обладает наибольшей возможностью технологизировать достижения в области фундаментальных знаний, и в частности молекулярной биологии. Кроме того, методы биотехнологии являются качественно новым инструментом для непосредственного изучения структурно-функциональной организации генетического материала. А это в свою очередь позволяет предположить, что генетическая инженерия растений окажет наибольшее влияние при селекции на такие адаптивно и хозяйственно ценные признаки, как интенсивность чистого фотосинтеза, индекс урожая и др.

Наиболее перспективные направления в области защиты растений включают получение трансгенных сортов, устойчивых к гербицидам и вредным видам, биопестицидов, новых форм микроорганизмов и др. Очевидно также, что сама генетическая инженерия, став экспериментальным полигоном эволюции, будет непрерывно совершенствоваться и усложняться, расширяя возможности человека в целенаправленном преобразовании организмов. И вполне вероятно, что дальнейшее развитие методов молекулярной биологии, в том числе трансгеноза, позволит поднять современную селекцию растений на качественно новый уровень. И все же адаптивная система селекции растений, базирующаяся на мобилизации генофонда, управлении наследственностью, сортоиспытании и семеноводстве, и в обозримом будущем будет обеспечи вать повышение величины и качества урожая сельскохозяйственных культур на большей части земледельческой территории Земли. При этом именно селекционеры растений будут выполнять роль стратегов в улучшении сельскохозяйственных культур и обеспечении продовольственной безопасности, осваивая новые, в том числе и трансгенные технологии.

Поэтому ближайшая проблема в области селекции состоит в том, чтобы интегрировать и скооперировать усилия селекционеров и молекулярных биологов для решения общей задачи — повышения величины и качества урожая, ресурсоэнерго- экономичности, экологической надежности, безопасности и рентабельности растениеводства.

Однако исследования в области генетической инженерии несут с собой не только радужные ожидания. Они подчас оказываются столь же опасными, сколь и выгодными. Вот почему генетическая инженерия стала самым мощным возбудителем спокойствия мировой общественности в начале XXI столетия. Связано это с тем, что, как и любое другое судьбоносное для Homo sapiens направление науки, гене- тическая инженерия может иметь не только позитивные, но и негативные последствия. И главная трудность заключается в том, что мы пока не в силах точно спрогнозировать в долговременной перспективе все последствия ее широкого использования. Хотя разделение сложного целого на составляющие элементы и является почти универсальным подходом (методом) в биологических исследованиях, структура не может быть важнее функции, а компоненты совокупности сами по себе не характеризуют целое, которое фундаментально отличается от составляющих частей. Вот почему даже выдающиеся достижения в области молекулярной биологии не способны объяснить сущности биологических явлений на уровне жизни.

XXI век — действительно век биологии, но это вовсе не означает, что биология как наука о закономерностях органической жизни исчерпывается представлением только о ее молекулярном уровне организации и преобразовании. Между тем при обсуждении возможностей генетической инженерии все больше доминирует тенденция недооценивать сложность, а также динамический и непрерывный характер «живых явлений» и преувеличивать роль отдельных генов в определении способности организмов к адаптации, в том числе за счет саморегуляции. Односторонний структуралистский подход, ориентирующий на манипуляцию отдельными генами, кодирующими «признаки с определенными функциями», и рассматривающий онтогенез в качестве их «реестра», позволяет решить лишь небольшую, причем далеко не самую главную часть современных селекционных задач. Что же касается ответа на фундаментальный вопрос, может ли реальный мир быть лучше объяснен с функционалистской или структуралистской точки зрения, то очевидна неправомерность игнорирования интегрированности процесса биологической адаптации, определяющей эволюционную сущность всего живого.

Современная селекция растений – это научно обоснованная технология управления наследственностью и изменчивостью высших эукариот, позволяющая реализовать социально-экономические, экологические, дизайно-эстетические и другие цели. Являясь средством биологического контроля над адаптивными и адаптирующими реакциями растений с целью непрерывного увеличения их продукционных и средообразующих возможностей, адаптивная система селекции технологизирует достижения как прикладных, так и фундаментальных знаний. Другими словами, селекция выступает в качестве синтетической дисциплины, широко использующей достижения физиологии, биохимии, почвоведения, микробиологии, цитогенетики, экологии и других наук и функционально объединяющей этапы мобилизации генофонда, самой селекции, сортоиспытания и семеноводства, агроэкологического районирования и конструирования агроэкосистем.

Анализ роста урожайности в XX веке показывает, что наряду с минеральными удобрениями, пестицидами и средствами механизации основную роль в этом процессе сыграло генетическое улучшение растений. Так, вклад селекции в повышение урожайности важнейших сельскохозяйственных культур за последние 30 лет оценивают в 40–80 %. Именно благодаря селекции на протяжении последних 50 лет, например, в США была обеспечена ежегодная прибавка урожая в размере 1–2 % по основным полевым культурам. Имеются все основания считать, что в обозримом будущем роль биологической составляющей, и в первую очередь селекционного улучшения сортов и гибридов, в повышении величины и качества урожая будет непрерывно возрастать. Рекомбинационная селекция обеспечивает непрерывное расширение спектра доступной отбору генетической изменчивости хозяйственно ценных и адаптивно значимых признаков, в том числе постоянное увеличение числа идентифицированных генетических доноров потенциальной урожайности и экологической устойчивости. Для это- го широко применяют методы эндогенного и экзогенного индуцирования генетической изменчивости, преодоления половой несовместимости между видами одного семейства, гаметофитного отбора, позволяющего на основе больших популяций пыльцы идентифицировать на искусственных фонах генотипы, функционально эквивалентные искомым спорофитам и т. д.

Рассматривая возможности интеграции адаптивной системы селекции и генетической инженерии, следует прежде всего определить принципиально новые приоритеты самой селекции растений, вытекающие из современного понимания: роли интегрированности генома и всего идиотипа у высших эукариот, проявляющейся в формировании блоков коадаптированных генов и сохранении их status quo при передаче наследственной информации от одного поколения другому; необходимости перехода от управления изменчивостью моногенных признаков к комбинаторике количественных (полигенных) признаков, многие из которых относятся к хозяйственно ценным; первостепен-ной роли мейотической рекомбинации (а не мутаций) в формировании потенциальной, свободной и доступной отбору генетической изменчивости у цветковых растений; роли абиотических и биотических факторов внешней сре- ды, определяющих не только направление и темпы естественного отбора («формирующее» влияние биоценотической среды), но и выступающих в качестве индукторов генетической изменчивости (мутационной, рекомбинационной, репарационной, транспозиционной); необходимости сочетания в сортах и гибридах высокой потенциальной продуктивности, устойчивости к действию абиотических и биотических стрессоров, а также продукционных и средообразующих (фитомелиоративных, фитосанитарных, ресурсовосстанавливаюших, дизайноэстетических и др.) функций; важности развития новых направлений селекции, включая фито-(био)ценотическое, биоэнергетическое, экотипическое, экологическое, симбиотическое, а также апомиктическое, гаметное и др.; возможности использования «доместикационного синдрома» с целью введения в культуру новых видов и экотипов растений (экологическая и экотипическая селекция). В то же время современная селекция характеризуется целым рядом трудностей и нерешенных проблем, к числу важнейших из которых можно отнести следующие:

1. Чем больше признаков селекционер стремится объединить в одном сорте или гибриде, тем ниже темпы искусственного отбора, тем больше времени требуется для создания нового сорта. Наличие отрицательных генетических и биоэнергетических по своей природе корреляций между признаками существенно снижает темпы создания новых сортов.

2. Возможности традиционной селекции особенно ограничены при использовании зародышевой плазмы таксономически неродственных и отдаленных видов. Основным препятствием при этом являются генетически детерминированные презиготические и постзиготические барьеры. При использовании в качестве доноров ценных признаков диких родичей культурных растений продолжительность и масштабы селекционного процесса резко возрастают.

3. Дальнейший рост урожайности по важнейшим культурам сдерживается уже достигнутым высоким индексом урожая (0,5–0,8).

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

5. При внесении больших доз минеральных удобрений и мелиорантов, использовании полного набора пестицидов и средств механизации происходит экспоненциальный рост затрат исчерпаемых ресурсов на каждую дополнительную единицу урожая, в том числе пищевую калорию, усиливается зависимость продуктивности агроэкосистем от техногенных факторов, ускоряются процессы и возрастают масштабы загрязнения и разрушения окружающей среды.

6. Антиэволюционные тенденции в селекции и конструировании агроэкосистем, проявляющиеся в увеличении генетической однородности сортов и однотипности агроценозов в противовес их агроэкологической специализации, гетерогенности и дизайно-эстетической привлекательности.

7. При интеграции селекционно-агротехнических и генноинженерных программ в большинстве случаев оказываются неизвестными генетическая природа хозяйственно ценных количественных признаков, а также эффект их взаимодействия.

8. Как в традиционной селекции, так и при трансгенозе использование новых генетических доноров, как правило, требует значительной предварительной селекционной работы. Анализ достижений селекции в 50–80-х годах XX столетия свидетельствует также о том, что большинство улучшенных агрономических признаков, обусловивших рост урожайности, имеет полигенный, комплексный характер. Созданы сорта и гибриды с широкой агроэкологической адаптацией, более медленным старением листьев, устой- чивостью к полеганию, толерантностью цветков к абортированию в условиях жары и засухи, горизонтальной устойчивостью к болезням и др. Основное внимание в современных селекционных программах уделяется сочетанию высокой потенциальной продуктивности сортов и способности противостоять действию абиотических и биотических стрессоров. В числе основных причин такой ориентации – тенденции к увеличению разрыва между рекордной и средней урожайностью по важнейшим сельскохозяйственным культурам (обычное соотношение 4:1), повышению зависимости величины и качества урожая от применения техногенных средств, а также погодных флуктуация (вариабельность урожайности по годам на 60–80 % обусловлена «капризами» погоды). Следовательно, дальнейшее успешное развитие селекции растений требует использования качественно новых методов, технологий и биологических концепций.

Известно, что генетика количественных признаков, игнорируя реальную генетическую природу их структурной организации и функционирования, длительное время базировалась на методах, сводящих сложные признаки к простым («главным факторам» и пр.). В дальнейшем была признана динамичность формирования количественных признаков в морфогенезе, обусловливающая многовариантность реализации матричных структур (на пути ген—признак), перераспределение экспрессии генов и блоков генов в процессе формирования сложного признака и т. д. В настоящее время количественные признаки обычно рассматривают как динамичную многовариантную целостность, выявить генетическую природу всех составляющих которой практически невозможно. Что же касается генетических маркеров (marker-assisted-selection – MAS), реализующих свой эффект в отношении количественных признаков, то их идентификация остается весьма сложной, а практическое использование в селекции ограниченным.

Поскольку с помощью генетической инженерии не создают, а только улучшают уже адаптированные к определенным условиям внешней среды, а также технологиям возделывания сорта и гибриды, в комплексных селекционно-агротехнических программах должны быть изначально определены цели и этапы использования классических и биоинженерных методов управления наследственной изменчивостью при реализации той или иной морфофизиологической модели сорта (гибрида).

Показано, например, что высокая адаптивность сорта озимой пшеницы Мироновская 808, получившего широкое распространение в самых разных почвенно-климатических и погодных условиях возделывания, объясняется идеальной агроэкологической «подогнанностью» его генома и цитоплазмы (плазмона), что и определяет высокую зимостойкость и гомеостатическую способность колоса, а также выносливость при загущении стеблестоя. Параллельно с использованием генетического потенциала окультуренных видов, а также с учетом многочисленных неудачных попыток повысить их морозоустойчивость и зимостойкость, соле- и кислотоустойчивость, скороспелость и фотосинтетическую производительность в предстоящий период особое внимание будет уделено введению в культуру новых видов (направление «смены вида»), обладающих большим потенциалом конститутивной адаптивности. В число первоочередных задач при этом выдвигается «приручение» новых видов бобовых культур, в том числе клубнеплодных, кустарниковых, пастбищных, фуражных и др. Перспективно также введение в культуру новых видов масличных, зерновых, зернобобовых, луковичных и корнеклубнеплодных, многие из которых не только устойчивы к действию экологических стрессоров, но и характеризуются высоким содержанием биологически ценных веществ. При этом повышение урожайности новых культур будет обеспечиваться за счет признаков, как усиливающих потенциальную продуктивность растений, так и снижающих отрицательное действие лимитирующих величину и качество урожая абиотических и биотических факторов. Особенно большие возможности генетической инженерии открываются в плане использования методов трансгеноза для индукции мейотической рекомбинации на основе переноса в межвидовые гибриды растений эндогенных индукторов кроссинговера. В последние годы доказано, что перенос гена гее А в растения табака позволяет увеличить рекомбинационную изменчивость. В опытах Авдеева с соавторами установлено, что у регенерантов и гибридов трансгенных растений томата, несущих ген кристаллического белка дельтаэндотоксина, повышается частота выщепления «редких» мутаций. В наших опытах обнаружено изменение частоты рекомбинации между локусами у гибридов томата, полученных при участии трансгенной формы с fo-элементом в 4–й хромосоме. В процессе интеграции методов адаптивной системы селекции и 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. В этой связи большие перспективы представляет сочетание методов традиционной селекции и трансгеноза при создании сортов с вертикальной устойчивостью, а также многолинейных и синтетических сортов. Связано это с тем, что методы генной инженерии позволяют встраивать в растение- реципиент сразу несколько разных генов устойчивости, создавая та- ким образом «пирамиду генов», обеспечивающую комплексную ре- зистентность сорта.

Однако нет оснований утверждать, что генная инженерия якобы сокращает время выведения сортов с требуемыми характеристиками, так как для этого всегда используют уже приспо- собленные к местным условиям внешней среды (почве, климату, погоде, технологиям возделывания) сорта, для создания которых необходимо 5–10 лет и более. На многих объектах установлена корреляция между признаками, проявляющимися на гаметофитном и спорофитном уровнях. Например, экспериментально доказано, что устойчивость томата к повышенной температуре (жаростойкость) коррелирует с определенным спектром эстераз в пыльце, их активностью и термостабильностью, а также характером изменчивости морфоцитохимических признаков самой пыльцы. При этом на гаплоидном уровне могут экспрессиро- ваться такие признаки, выявить которые у диплоидов обычно не удается.

Однако с переходом к отбору на гаплоидном уровне, например, у кукурузы, существенно изменяется отношение между признаками, что в свою очередь усложняет прогноз их проявления у диплоидов. К настоящему времени доказана возможность введения экзогенной ДНК в растения посредством прорастающей пыльцы. Таким образом, с помощью гаметной селекции и гаметофитного отбора можно успешно решать следующие селекционно- генетические задачи:

Ø Улучшение показателей самих репродуктивных структур, и в частности пыльцы (изменение аэродинамических свойств и фертильности; повышение пыльцепроизводящей функции растений, а также способности пыльцы прорастать при пониженных или, наоборот, повышенных температурах, влажности, освещенности и других стрессовых ситуациях).

Ø Изменение признаков спорофита за счет оценки и отбора генетически разнокачественных пыльцевых зерен, то есть на основе использования корреляций между признаками гаметофита и спорофита.

Ø Оценка эндогенного (включая трансгеноз) и экзогенного индуцирования частоты и спектра рекомбинационной изменчивости, проявления признаков пыльцы у гибридов F1, характера их наследования, а также дифференциального роста пыльцевых трубок in vitro и in vivo.

Ø Исследование особенностей проявления признаков на гаплоидном уровне, в том числе с учетом того, что у диплоидов некоторые признаки не экспрессируются.

Ø Повышение точности гибридологического анализа за счет учета возможностей элиминации маркированных рекомбинантных микрогамет, а также изменения соотношений между фенотипическими классами растений в расщепляющихся поколениях.

Поскольку гаметная селекция, базирующаяся на прямом (свойства самой пыльцы) и косвенном (корреляция между признаками гаметофита и спорофита) отборе пыльцы, позволяет значительно ускорить селекционный процесс, очевидна не только возможность, но и целесообразность сочетания методов гаметной селекции и трансгеноза.

В основу такой интеграции может быть положена гибридизация трансгенных форм с сортами-реципиентами, а также использование самой пыльцы в качестве генетически модифицируемого объекта. Главные преимущества сочетания методов гаметной селекции и генной инженерии состоят, на наш взгляд, как в возможности оценки громадного числа гамет для прямого отбора искомых генотипов на специально созданных и сравнительно легко регулируемых фонах, так и в увеличении вероятности идентификации ценных спорофитов на основе корреляционного анализа (косвенный гаметофитный отбор). В интеграции методов современной селекции и биоинженерии исключительно важную роль играет возможность с помощью последней решать две принципиально разные, но одинаково приоритетные для селекции и семеноводства растений задачи: различать генотипы растений и паспортизировать сорта, а также выявлять гены, контролирующие хозяйственно ценные и адаптивно значимые признаки. Благодаря достижениям молекулярной биологии и популяционной генетики в настоящее время генетическая гетерогенность растений и пыльцы может быть оценена не только по агрономическим и биохимическим признакам, как это было во времена Н.И. Вавилова, но и на молекулярном уровне (изоферментный анализ, одномерный и двумерный электрофорез, рестрикция ДНК и др.). При оценке генетического разнообразия особого внимания заслуживает учет новых аллелей, а также новых сочетаний генов (с указанием географического происхождения и генеалогии образцов, их географической отдаленности, степени генеалогического родства и т. д.). О биологическом разнообразии объектов исследования можно также судить по индикаторам расстояния или дивергенции между признаками. Выбор признаков и их число в каждом конкретном случае определяют с учетом поставленной задачи, а сами признаки, в том числе продуктивности и устойчивости, оценивают в потомстве отборов.

МАРКЕРНАЯ СЕЛЕКЦИЯ.

Метод полимеразной цепной реакции (ПЦР) нашел широкое применение при анализе геномов растений различных сельскохозяйственных культур, в частности, как инструмент для маркирования генов и проведения маркерной селекции. Маркерная селекция отличается от классической селекции тем, что проводит оценку генов в организме молекулярными методами и позволяет исследователю выбрать лучшую комбинацию для скрещивания. Таким образом, селекционный процесс идет более целенаправленно и ускоренными темпами. Молекулярное маркирование осуществляется, как правило, на основе метода полимеразной цепной реакции, который дает исследователю большие возможности:

Ø результаты анализа практически не зависят от физиологическо- го состояния растения и условий внешней среды;

Ø метод характеризуется высокой мобильностью, что позволяет быстро внести коррективы при изменении задачи исследования;

Ø для проведения ПЦР анализа необходим минимальный набор оборудования, который обеспечивает стабильную работу в течение длительного срока;

Ø при помощи ПЦР можно проводить большой объем исследовательских работ за небольшой срок. Лаборатории молекулярных методов анализа проводят сертифицированные исследования продукции растениеводства:

Ø разработку методик для исследования ДНК растений;

Ø качественное определение генно-инженерных вставок в ДНК различных образцов растительного происхождении;

Ø количественное определение генетически модифицированных источников (ГМИ) в различных образцах растительного происхождения;

Ø генотипирование сельскохозяйственных культур;

Ø идентификацию и паспортизацию посевного материала сельско- хозяйственных культур;

Ø ДНК-маркирование генов устойчивости у растений;

Ø ДНК-диагностику наличия возбудителей важнейших заболеваний сельскохозяйственных культур.

Другим из актуальных на сегодня аспектов изучения растительной геномной ДНК является определение ее генетических модификаций. Особенно остро вопрос стоит при определении генетически модифицированных источников (ГМИ) в пищевом сырье, продуктах питания и кормах. Так, список разрешенных для использования в питании и кормах сельскохозяйственных культур на 2004 год, по данным Food and Drug Administration, USA включает более 100 генетически модифицированных продуктов. В Российской Федерации прошли необходимые исследования и разрешены для использования в пищевой промышленности и реализации населению 13 сортов и линий трансгенных сои, кукурузы, картофеля, сахарной свеклы и риса. Такие продукты, как томаты, рапс, кабачковые, папайя, дыня, пока еще не прошли процедуру регистрации в России, но на мировом продовольственном рынке достаточно широко представлены их генетически модифицированные аналоги. В соответствии с рекомендациями международных организаций (ВОЗ, ФАО, ОЭСР) и законода- тельством Российской Федерации пищевая продукция из ГМИ относится к категории «новой пищи» и на этом основании подлежит обя- зательной оценке на безопасность и последующему мониторингу за оборотом. Обязательная маркировка пищевых продуктов из ГМИ была введена в России с 1 сентября 2002 г., при этом маркировке подлежит вся пищевая продукция, содержащая в своем составе более 5% ком- понентов из ГМИ. Директивой Европейского Парламента и Совета (ЕС) от 22.09.2003 № 1829/2003 о генетически модифицированной пище и кормах с апреля 2004 года введены новые правила маркировки в странах ЕЭС, по которым установлен пороговый уровень 0,9%. Маркироваться также должна и пищевая продукция, полученная из ГМИ, не содержащая белка и ДНК. Введение 0,9%-го порогового уровня связано с чувствительностью метода определения ГМИ и случайным попаданием ГМИ в пищевые продукты. Итак, в XXI веке роль сочетания методов адаптивной системы селекции и трансгеноза в формировании величины и качества урожая, а также средоулучшающих и ресурсовосстанавливающих функций агроэкосистем может не только существенно возрасти, но и оказаться решающей при целенаправленном управлении наследственностью и изменчивостью культурных растений. При этом основополагающее значение селекции в дальнейшем наращивании производства сельскохозяйственной продукции обусловлено тем, что применение техногенных средств интенсификации в промышленно развитых странах уже достигло порога антропогенного насыщения агробиогео<