Способы улучшения сельскохозяйственных растений

Генная инженерия позволила человеку расширить возможности традиционной селекции. Теперь можно получать различные виды сельскохозяйственных культур, обладающих разными свойствами. ГМ-растения обладают рядом преимуществ: являются устойчивыми к болезням, неблагоприятной погоде и дают высокую урожайность.

Проблемы сельскохозяйственной продукции затрагивают каждого человека. Естественно не обошлось без общественного резонанса, который вызвало применение ГМ-растений, трансформированных животных для производства сельскохозяйственной продукции. Биотехнология достигла завидных высот в этой области.

Основы селекции растений-самоопылителей

Результативность отбора и эффективность селекции зависит от системы опыления – способа размножения растений.

Самоопыление – процесс, в котором участвуют генеративные клетки одного растения. Процесс обеспечивается за счет двупольных цветков.

Отбор сорта, состоящего из самоопыляющихся растений, является результативным в случае, когда данный сорт состоит из генетически разнообразных линий, взятых по отдельным особям.

При обособлении чистой линии отбор внутри нее безрезультативный. Лучше использовать другие методы, нежели ждать изменений, способных произойти в чистой линии.

Основы селекции растений-перекрестников

Многочисленное число видов растений размножаются способом перекрестного опыления. Перекрестное опыление, или аллогамия, — размножение, когда одни половые клетки мужской особи оплодотворяют женские половые другого растения. Оплодотворение осуществляется за счет насекомых, ветра и даже в водной среде. Некоторые виды характеризуются полным разделением полов. Другие имеют генеративные органы на одном и том же растении. У третьих есть двуполые цветки и генетические механизмы, которые останавливают самоопыление. Важнейшие перекрестноопыляемые сельскохозяйственные культуры:

1. Обязательные перекрестники с двупольными цветками (рожь, гречиха, подсолнечник, клевер, люцерна).

2. Растения – перекрестники с двуполыми цветками, возможно и самоопыление (сахарная свекла, турнепс, горчица, рапс, мак, картофель).

3. Однодомные растения (кукуруза, клещевина, арбуз, дыня, каштан).

4. Перекрестники размножение которых происходит вегетативно (виноград, хмель, земляника садовая).

Несовместимость

Причины автостерильности или несовместимости:

1. Протандрия – в цветке созревание пестиков происходит позже, чем тычинок с пыльниками. Пыльца попадает на рыльца этого пестика.

2. Протогиния – тычинки созревают позже. Оплодотворение в одном и том же цветке.

3. Геркогамия – самооплодотворение не может произойти на одном растении.

По Льюсу несовместимость разделена на гетероморфную и гомоморфную.

Гетероморфная. Это несовместимость при которой существует разная длина тычинок и пестика.

Гомоморфная. Обусловлена рядом аллелей в одном локусе.

Несовместимость вызывает трудности и применяется в улучшение сортов овощных и цветочных культур.

Растения, устойчивые к гербицидам

Гербициды – вещества, которые подавляют рост растений. В настоящее время существует два способа применения гербицидов: либо вносят в почву, либо наносят на вегетирующие растения. Устойчивость к гербицидам зависит от мутации одного гена.

Существует 2 вида приспособления к гербицидам:

1. Мутация фермента, на который свое воздействие оказывает гербицид. Осуществляется за счет изменения последовательности аминокислот в зоне действия фермента.

2. У растений, стабильных к гербицидам может вырабатываться фермент, который может активироваться, присоединяя химический радикал.

Растения стабильные по отношению к гербицидам Соя – на ранних этапах своего роста развивается медленно и даже будучи взрослыми растениями степень соперничества их с сорняками низкая. Значит, без применения гербицидов вырастить эту культуру невозможно. А она является важнейшей из сельскохозяйственных культур.

Сорта, устойчивые к насекомым-вредителям

Чтобы вести борьбу с насекомыми, которые приносят вред сельскому хозяйству, используют пестициды. Пестициды – вещества, имеющие биологическое или химическое происхождение, служащие для уничтожения насекомых, вырабатывая токсические для них вещества. Существуют био- и хим. пестициды. Рассмотрим примеры биопестицидов.

Дельта-эндоксин – получают из Bacillus thuringiensis. Обладает свойством избирательности, может воздействовать на определенный вид насекомых. Действие Bt-протеина – нестойкий белок, от которого, при попадании в пищеварительный тракт насекомого, отщепляется активная часть этого белка. Она оказывает воздействие на клетки, вызывая их растворение. Насекомое перестает питаться, из-за образовавшихся спор в пищеварительном тракте. Насекомое погибает (нехватка воды и пищи). Bt-токсин имеет недостаток – защита растения на недлительный срок.

Сорта, устойчивые к вирусам

Потери урожая высоки, когда ряд культур претерпевает вирусные болезни. Для исключения болезней растениями используют метод перекрестной защиты. Суть метода заключается в внедрение в растение “мягкой” формы вируса, чтобы избежать их агрессивных форм. Как действует этот способ с химической точки зрения не выяснено, но он имеет широкое применение. Используют в таких странах как Япония и Бразилия.

Первое растение, которому привили устойчивость – табак. Трансформация генома этого растения была проведена посредством внедрения в генотип табака гена тобамовируса, ассоциированного с образованием белка оболочки. Данный подход получил широкое распространение. Несмотря на то, что получено огромное количество вирусоустойчивых форм на рынке используют лишь несколько. Из всего можно сделать вывод, что растения, которые подверглись трансгенизации могут по некоторым свойствам превосходить традиционные аналоги.

Сорта с улучшенными качествами

Сорта, с улучшенным качеством являются наиболее ценными для потребления. Добиваются улучшения растений за счет внедрения новых генов. Важной особенностью является использование собственных генов для внедрения в собственный геном. В растение добавляются собственные копии определенных генов. За счет этого улучшаются качественные характеристики, но ослабляется активность самих генов.

Рассмотрим пример растения, в который были внесены гены для улучшения качественной характеристики. Растительное масло – качество оценивается по содержанию в нем жирных кислот. Соя – имеет улучшенный состав масла (добавлен ген фермент десатуразы). В следствии чего в собственном масле произошло уменьшение поли-ненасыщенности и увеличению моно-ненасыщенности жирных кислот.

Еще одним примером может послужить рапс, в состав которого вошли такие кислоты как лавровая и миристиновая. Это произошло, когда был использован метод переноса генов горизонтальным способом. Взяли ген из одного растения и перенесли в геном рапса. Внедрение генов привело к образованию новых кислот и наделению рапсового масла свойством дороговизны.

Сорта, полученные на основе мужской стерильности (гетерозисные гибриды)

Гетерозисные гибриды также широко распространены. Главное их преимущество – превосходство над родительскими особями. Сорта приобрели способность устойчивости к болезням и неблагоприятным условиям. Главным минусом таких растений, является сложность их получения – необходимо исключить возможность попадания пыльцы на собственные пестики. Для решения это проблемы используют стерильные мужские линии. Использование цитоплазматическая мужская стерильность – ядро взаимодействует с цитоплазмой другой клетки. В дальнейшем начали использовать специальный ген barnase, кодирующий образование РНКазы. Отсутствие РНК в пыльнике приводит к тому, что пыльца не образуется. После этого мы получаем потомство, которое является стерильным по мужской линии. Для решения этой проблемы ученые вводят новую линию barstar – зашифровывает образование фермента-индгибитора РНКазы.

Плюсы данного метода:

1. Качество плазмид, являющихся трансгенными.

2. Строгое регулирование: место, время.

Вывод

В настоящее время сельскохозяйственные культуры разнообразны и все это благодаря генной инженерии, которая внесла существенный вклад в развитие этой отрасли. Существует несколько видов селекции растений и каждый из них обладает ка рядом преимуществ, так и рядом минусов. К основным видам селекции растений можно отнести: 1. Селекция растений-самоопылителей. 2. Селекция растений-перекрестников.

3. Сорта, устойчивые к насекомым-вредителям.

4. Сорта, устойчивые к вирусам.

5. Сорта, с улучшенными качествами.

Как писалось ранее, каждый метод имеет преимущества, так же и минусы. Поэтому у генной инженерии еще есть над чем работать, вырабатывая новые методы селекции растений. Главными аспектами успешной селекции является простота, дешевизна, высокая урожайность, устойчивость к агрессивным внешним факторам, а так же не следует забывать такой аспект как безопасность для человека и животных.