Методы генной модификации: от поля к лаборатории (и обратно)

Генная модификация (ГМ) ассоциируется с лабораториями, но большая часть такой работы была проделана в поле с помощью селекции.

Древние фермеры Ближнего Востока собирали зерно с диких трав. Им нужно было точно рассчитать время сбора: слишком рано — зерно плохо хранится, слишком поздно — оно осыпается. Они заметили, что у некоторых растений колосья оставались на стеблях даже после полного созревания. Это были растения с мутацией в генах, контролирующих осыпание семян. Фермеры начали отбирать и высаживать такие растения — это был первый случай селекции по полезному признаку.

Использование генетической вариации

Систематическая селекция началась в начале XX века после переоткрытия работ Грегора Менделя. Селекционеры скрещивают разные линии и отбирают потомство с улучшенными характеристиками, используя генетическую вариацию.

Источником вариации часто служит элитный генетический материал (установившиеся сорта). Однако его разнообразие может быть узким, поэтому селекционеры обращаются к местным сортам и даже диким родственникам культурных растений.

Скрещивание с дикими видами часто не даёт нормальных семян, но зародыши можно извлечь и вырастить в стерильной культуре тканей. Этот метод — эмбриональный rescue — широко используется.

Растение содержит около 30 000–40 000 генов. При скрещивании вводятся все гены дикого родственника, а нужен может быть всего один. Гены связаны в хромосомах, поэтому требуется разбить хромосомы дикого вида на мелкие фрагменты, чтобы перенести только нужный участок. Этот процесс — хромосомная инженерия — может занимать десятилетия.

Индуцирование мутаций

В 1950-х годах важным методом создания вариации стало индуцирование мутаций с помощью ионизирующего излучения (рентгеновские или гамма-лучи) или химических мутагенов.

Эти методы вызывают случайные повреждения ДНК. Большинство мутаций вредны, и очистка генома от нежелательных изменений — медленный процесс.

Идеальное решение — взять ген из любого источника и внедрить его в культурное растение, меняя характеристики точечно, без побочного ущерба. Это и предлагает генная инженерия.

Выходят на сцену лабораторные халаты…

Первые генетически модифицированные культуры появились в 1980-х. Самый распространённый сегодня метод использует природный механизм переноса ДНК.

Некоторые почвенные бактерии (например, Agrobacterium tumefaciens) способны переносить сегмент своей ДНК в геном растения, чтобы управлять его развитием в своих целях. Учёные модифицируют этот переносимый сегмент: удаляют гены бактерий и вставляют нужные гены (ген интереса и селективный маркер, например, устойчивость к гербициду).

На практике конструкцию ДНК вводят в бактерию, которую затем наносят на растительные ткани в стерильной культуре. После удаления бактерий ткани помещают на среду с гербицидом. Выживают и делятся только трансформированные клетки, которые затем регенерируют в целые растения. Место вставки новой ДНК в геном обычно случайное, но предпочтительно в регионах активных генов.

… и снова в поле

В Австралии все аспекты исследований в области генной инженерии строго регулируются. Перед полевым испытанием Управление регулятора генных технологий (OGTR) проводит оценку рисков.

OGTR выдало 103 лицензии на полевые испытания 14 различных культур. Одобрено для коммерческого выращивания 37 ГМ-культур семи видов, но в значительных масштабах выращиваются только хлопок (8 событий) и рапс (3 события).

Сопротивление ГМ-культурам в мире стимулировало поиск альтернативных методов точного изменения генома. Например, редактирование генома позволяет вносить специфичные изменения в собственные гены растения, аналогичные мутациям, но только в одном сайте, а не по всему геному. Мутагенез широко используется и не регулируется — будет ли так же с редактированием генома?

Другие разработки также бросают вызов общественному мнению:

• Цисгенез: выделение, изменение и повторная вставка собственного гена растения.
• Использование ГМ-подвоев, устойчивых к болезням корней, с привитой не-ГМ привоей для получения не-ГМ яблок или авокадо.

Эти вопросы теперь стоят перед регуляторами, поскольку первые примеры таких технологий становятся доступными.