Генетически модифицированные источники пищи. Способы получения, использование и перспективы. Примеры генетически модифицированной расти

1. Генетически модифицированные источники пищи. Способы получения, использование и перспективы. Примеры генетически модифицированной растительной, мясной и молочной продукции.

Стремление на протяжении человеческой истории к повышению пищевой  ценности и безопасности пищи, обеспечению  доступности продовольствия реализовывалось  через совершенствование селекции растений и сельскохозяйственных животных, выращивания, уборки и хранения сельскохозяйственной продукции, а также способов переработки  и хранения готовых пищевых продуктов. Применяемые подходы к улучшению  качества и доступности пищевых  продуктов привели к изменению  генетики и физиологии организмов, используемых для производства продовольствия. Путем селекционного выведения  растений и животных или отбора лучших штаммов микроорганизмов (бактерий, грибов) или путем целенаправленного  введения мутаций, дающих желаемые свойства источников продовольствия, была коренным образом изменена организация генома этих организмов. Традиционные программы  селекции сельскохозяйственных культур  позволили добиться высоких результатов  в умножении и усилении положительных  свойств родственных растений. Однако продолжать повышение урожайности  такими методами в настоящее время  стало невозможно. Другой огромной проблемой является непредсказуемый  и неконтролируемый характер болезней сельскохозяйственных культур.

Начавшееся сравнительно недавно  использование в производстве пищевых  продуктов методов, которые объединяются общим термином «генетическая модификация», или получение пищи из генетически  модифицированных источников, привлекает к себе повышенное внимание и даже предвзятое отношение общественности. Методы генетической модификации позволяют  изменить организацию генетического  материала целенаправленно, быстро и уверенно, как это было невозможно при традиционных методах селекции. Однако цели генетической модификации  и традиционных методов селекции одни и те же.

Таким образом, генетическая модификация - это лишь одна из современных технологий производства пищевых продуктов. В настоящее время для пищевых целей рассматриваются только растительные генетически модифицированные источники пищи. Для производства пищевых продуктов никакие животные генетической модификации пока не подвергаются. Однако, понимая интенсивность исследований и быстроту получения научных данных, данное заявление может оказаться устаревшим сразу после выхода в свет этой книги.

Термин  «генетическая модификация» используется для обозначения процесса, посредством которого можно изменить организацию генетического материала, используя для этого метод рекомбинантных ДНК. Этот процесс включает использование лабораторных методов введения, изменения или вырезания участков ДНК, содержащих один или более генов. Отличие генетической модификации от обычных методов скрещивания заключается в возможности манипулировать отдельными генами и переносить гены между разными видами растений, животных и микроорганизмов, которые не поддаются скрещиванию.

Первые трансгенные  растения были выведены в 1984 г. К 2000 г. генетической модификации подверглись около 100 видов растений. Однако сельскохозяйственное значение имеют в настоящее время лишь 8-10 культур. Несколько видов растений модифицированы с целью изменения состава и пищевой ценности, однако в настоящее время такие культуры не разрешены к сельскохозяйственному производству и получению пищевых продуктов. Большинство генетически модифицированных культур первого поколения (выращиваемые в производственных объемах) представляют собой культуры, модифицированные с целью только повышения урожайности, облегчения процесса уборки и переработки, лучшей сохранности или комбинации этих качеств. Это достигается путем придания устойчивости к болезням, вызываемым вирусами, бактериями, грибами, устойчивости к насекомым или к действию гербицидов. Немаловажным стимулом к созданию генетически модифицированных культур является снижение вынужденного применения инсектицидов и других пестицидов с широким спектром действия.

Для выведения растений, защищенных путем генетической модификации  от вредных насекомых, применяется  несколько методов. Наиболее распространен  метод включения и экспрессии генов, полученных из почвенной бактерии Bacillus thuringientis (Bt). Эти бактерии вырабатывают во время спорообразования кристаллы  белка (дельта-эндотоксин), обладающего  инсектицидным действием. Препараты  из спор бактерий или выделенного  белка на протяжении многих лет используются в качестве инсектицидов. В сельскохозяйственных культурах, генетически модифицированных с целью экспрессии токсинов В1, защита от насекомых осуществляется с помощью  того же механизма. Токсины вырабатываются в неактивной форме, которая активируется кишечными протеиназами насекомого. Токсин прикрепляется к рецепторам в кишке и повреждает ее.

Генетически модифицированные источники продовольствия

Кукуруза

 Цель создания:

Защита от насекомых-вредителей

Устойчивость к гербицидам

«Мужское бесплодие» культуры (предупреждение перекрестного опыления и образования  менее ценных гибридов)

Рапс масличный

Цель  создания:

Устойчивость к гербицидам

Высокое содержание лауриновой кислоты

«Мужское бесплодие» культуры

Папайя

Цель  создания:

Вирусоустойчивость

Картофель

Цель  создания:

Защита от вредных насекомых (колорадского жука). Вирусоустойчивость

Соя

Цель  создания:

 Устойчивость к гербицидам

Высокое содержание олеиновой кислоты

Тыква

Цель  создания:

Вирусоустойчивость

Сахарная свекла

Цель  создания:

Устойчивость к гербицидам

Томаты

Цель  создания:

Замедление созревания

Снижение потерь

Вирусоустойчивость

Цикорий

Цель  создания:

Устойчивость к гербицидам

«Мужское бесплодие» культуры

У млекопитающих, в том числе  и у человека, таких рецепторов нет. Поэтому токсины В1 обладают избирательной токсичностью для  насекомых и нетоксичны для млекопитающих.

Другие гены-инсектициды, которые используются при выведении генетически модифицированных культур, кодируют растительные лектины, ингибиторы пищеварительных ферментов организмов-вредителей (протеаз и амилаз), или участвуют в биосинтезе вторичных метаболитов растений.

Генетически модифицированные растения, устойчивые к гербицидам, были получены путем введения в растения гена, выделенного из одного из почвенных  микроорганизмов.

Для повышения вирусоустойчивости генетическая модификация позволяет  применить другой подход - «иммунизацию». Созданы генетически модифицированные вирусоустойчивые культуры, у которых  растения с экспрессией генов, кодирующих определенные вирусные белки, приобретают  иммунитет к последующей инфекции патогенным вирусом.

Большинство выведенных в настоящее  время методами генетической модификации  сельскохозяйственных культур обладает более высокими сельскохозяйственными  характеристиками. В перспективе  развития технологии генетической модификации - создание пищевых продуктов с  заданной или улучшенной пищевой  ценностью. Пока пищевые продукты с  измененной пищевой ценностью, созданные  методами генетической модификации, на рынке отсутствуют. Однако экспериментальные  образцы уже существуют и их приход в питание человека весьма вероятен. На это ориентируют уже имеющиеся  примеры получения новых сортов сельскохозяйственных растений с измененными  пищевыми свойствами методами традиционной селекции: рапса с низким уровнем  эруковой кислоты, подсолнечника с  высоким содержанием линолевой  кислоты.

Биологические особенности и безопасность генетически  модифицированных источников пищи

Пищевые продукты, получаемые из видов, выведенных традиционными методами селекции, употребляются в пищу сотни  лет, и продолжают появляться новые  виды. Сорта, обладающие по сути такими же свойствами, выводятся и методами генетической модификации путем  переноса одного или нескольких генов. Принято считать, что обычные  методы выведения новых сортов культур  более безопасны, чем технология генной модификации.

Анализ путей и механизмов, посредством  которых в пищу могут попадать или в ней образоваться потенциально опасные для здоровья факторы, показывает, что пищевые продукты, полученные методами генетической модификации, по своей природе не представляют какого-то уникального риска. Изменения изначально присущих пищевых характеристик, показателей  токсичности, аллергенности пищевых  продуктов могут произойти вследствие изменений в экспрессии генов  независимо от того, вызваны они  традиционными методами селекции или  же методами генетической модификации. Тем менее, в настоящее время  в странах ЕС продукты, полученные методами генетической модификации, подвергаются более жесткой оценке и пристальному изучению, чем продукты, полученные другими способами. Это происходит не потому, что такие продукты создают  больший риск, а лишь в качестве меры предосторожности, пока не будет  приобретен опыт использования этой технологии.

2. Методы изучения изменчивости. Качественные и количественные признаки. Использование методов биологической статистики для изучения количественных признаков.

Выделяют следующие виды изменчивости: мутационную, комбинативную, коррелятивную и модификационную.

Мутационная изменчивость. Мутация — стойкое изменение в структуре ДНК и кариотипе. Мутационный процесс — первоисточник наследственной изменчивости. В результате его у потомков появляются новые признаки и свойства, которых не было у предков. Различная окраска меха у норок и лисиц, полиморфизм белков и ферментов, наследственные дефекты (ахондроплазия, пупочная грыжа, врожденное отсутствие конечностей и т. д.) — это примеры мутационной изменчивости.

Мутации — один из главный факторов эволюции и создания новых пород животных и сортов растений.

Комбинативная (комбинационная) изменчивость. Это наследственная изменчивость, возникающая в потомстве в результате новых сочетаний признаков и свойств при скрещиваниях. Она не ведет к возникновению новых наследственных признаков, а происходят лишь комбинация и рекомбинация генов, имеющихся у родительских форм. На основе комбинативной изменчивости выведено много пород животных: орловская рысистая порода лошадей, костромская порода крупного рогатого скота, алтайская тонкорунная порода овец и т. д. Например, в результате скрещивания зебу с европейскими породами скота был создан австралийский молочный зебу. В новой породе сочетаются устойчивость к клещам, жаре, как у зебу, и высокая молочная продуктивность, как у европейского скота.

Зная характер наследования признаков  и свойств, можно создать желаемое их сочетание. Если селекционер ставит перед собой цель получить сапфировую окраску меха у норок, то он должен скрестить алеутских норок (генотип  ааРР) с платиновыми (ААрр). Первое поколение  норок имеет коричневый мех. При  скрещивании гибридов первого поколения  между собой в F2 получают 1/16 сапфировых норок (аарр). При разведении сапфировых норок появляются только сапфировые норки.

Коррелятивная изменчивость. Организм развивается как единое целое под влиянием наследственности и условий среды. Поэтому изменение одних органов и тканей может вести к изменению других органов, тканей или функции организма. Так, недоразвитие передней доли гипофиза ведет к задержке роста и половозрел ости.

В зоотехнической и ветеринарной практике изучение корреляционной изменчивости имеет большое значение. Известно, что между высокой молочностью  и высокой способностью к откорму  существует отрицательная корреляция. Поэтому не выведены породы, сочетающие высокую молочную продуктивность, как  у молочных пород, и мясные качества, как у мясных пород. Между устойчивостью к болезням и признаками продуктивности может быть положительная или отрицательная связь. Например, между устойчивостью к эймериозу (кокцидиозу) у кур и массой тела существует положительная корреляция.

Модификацяонная изменчивость. Это ненаследственная фенотипическая изменчивость, возникающая под влиянием условий среды и не изменяющая генотип. Модификационная изменчивость широко распространена в природе, так как на развитие организма влияют условия среды. Однояйцовые близнецы, находящиеся в разных условиях среды, различаются по своим признакам, несмотря на одинаковый генотип. У медоносной пчелы самки развиваются из оплодотворенных яиц, но в зависимости от качества пищи в личиночной стадии могут стать или рабочими пчелами, или маткой. При питании маточным молочком женская особь превращается в матку. Количественные признаки (удой, масса, настриг шерсти и т. д.) подвержены сильному влиянию условий среды и характеризуются большой модификационной изменчивостью. Качественные признаки (группы крови, масть и т.  д.)  в основном  контролируются  наследственностью.

Условия среды иногда сглаживают генетические различия между животными. Тогда  худшие и лучшие по генотипу особи  могут иметь одинаковую продуктивность. Поэтому в плохих условиях среды  отбор по фенотипу по многим признакам малоэффективен. Недостаточный уровень кормления матерей может привести к недоразвитию потомков не только в первом, но и в последующих поколениях. В таких случаях мы имеет дело с длительными модификациями.

3. Мероприятия по повышению устойчивости к болезням.

Знание роли наследственности в  этиологии болезней необходимо для  разработки селекционных программ повышения  устойчивости животных. В связи с  невозможностью выведения абсолютно  резистентных животных необходим комплексный  подход к борьбе с болезнями, включающий методы ветеринарии, селекции и обеспечения  оптимального уровня кормления и  содержания. Относительная наследственная устойчивость животных создает благоприятные  условия и для получения большего эффекта от вакцинации.

Выдвинута концепция (В. Л. Петухов), что  после достижения биологического плато  продуктивности, а скорее эколого-экономического уровня, основными селекционируемыми  признаками у животных будут резистентность к болезням, стрессам, экологически неблагоприятным факторам. Но уже  сейчас все острее становится проблема повышения устойчивости животных к  болезням. Многие помнят сообщения  в прессе (1996) о высоком уровне заболеваемости коров трубчатым  энцефалитом в Англии (в прессе больных животных называли «бешеными  коровами»), когда был поставлен  вопрос об убое нескольких миллионов  голов скота. Некоторые последствия  этой трагедии сравнивали с последствиями чернобыльской катастрофы. Все чаще мы слышим о повышении уровня заболеваемости человека туберкулезом, злокачественными опухолями и т. д. Никогда не прекратится на планете сопряженная эволюция микро- и микроорганизмов. Все вместе взятое свидетельствует о необходимости расширения исследований в области селекционно-ветеринарной генетики.

Для повышения устойчивости животных к  болезням ветеринарные врачи и селекционеры должны выполнять следующие мероприятия:

1) организовать диагностику болезней. Все данные о болезнях и  причинах выбытия животных должны  учитываться в племенных карточках,  а также в закодированном виде  в каталогах производителей и  государственных племенных книгах. При этом учитываются и описываются  все аномалии;

2) проводить генеалогический анализ  стада и давать комплексную  оценку генофонда семейств. Выявлять  семейства, устойчивые и восприимчивые  к болезням. Необходимо размножать  резистентные и высокопродуктивные  семейства (особенно с комплексной  устойчивостью). Прекращать разведение  лейкозных семейств;

3) отбирать молодняк на племя  по возможности от матерей,  отличающихся устойчивостью к  болезням и длительностью продуктивного  использования;

4) постоянно оценивать производителей  по устойчивости и восприимчивости  потомства к болезням и признакам  продуктивности и т. д. Для  точной оценки быков-производителей  по устойчивости нужно иметь  100-150 потомков. Широко использовать  производителей с комплексной  резистентностью к болезням. Результаты  оценки производителей вносятся  в каталоги и госплемкниги;

5) получать производителей следующего  поколения от высокопродуктивных  матерей из семейств, обладающих  комплексной устойчивостью, и  отцов, оцененных по резистентности  потомства;

6) применять трансплантацию эмбрионов  как один из методов повышения  эффективности селекции на устойчивость  к болезням. Матки-доноры должны  происходить из семейств с  комплексной резистентностью. Наряду  с продуктивностью крепкое здоровье  должно быть одним из показателей  при отборе доноров для трансплантации;

7) включать в планы племенной  работы разделы, освещающие вопросы  повышения устойчивости животных  к болезням и меры профилактики  распространения наследственных  аномалий;

8) включать в селекционные индексы  информацию о резистентности  животных к болезням;

9) применять в комплексе прямой  и непрямой отбор, включающий  массовый отбор, отбор семейств  и в пределах семейств, оценку  производителей по устойчивости  потомства к болезням, использовать  маркеры;

10) проводить комплексную оценку  иммунной системы орга­низма, включающую  показатели гуморального и клеточного  иммунитета и неспецифической  резистентности;

11) обрабатывать информацию о  заболеваниях и причинах выбраковки  животных с помощью ЭВМ;

12) выявлять показатели отбора, в том числе генетические и  биохимические маркеры устойчивости, позволяющие вести селекцию без  заражения животных;

13) использовать в будущем методы  биотехнологии, в том числе  генетической и клеточной инженерии,  что позволит успешно проводить  селекцию на устойчивость к  болезням, стрессоустойчивость и  длительность продуктивного использования  животных.

Для осуществления программ селекции на устойчивость необходимо творческое сотрудничество селекционеров-зооинженеров, ветеринарных врачей и генетиков.

Следует ожидать, что ограничение  распространения некоторых инфекционных и паразитарных заболеваний через  использование генетической устойчивости найдет широкое применение в практике, если удастся идентифицировать устойчивых животных не только в случае заболевания  или контрольного заражения. Большие  надежды низлагаются на использование  маркеров, которые сигнализировали  бы о существовании такой устойчивости без контакта животного с болезнетворным агентов.

4. Инбридинг и его влияние на выщепление рецессивных летальных и полулетальных генов.

Инбри́динг (от англ. in — «внутри» и breeding — «разведение») — скрещивание  близкородственных форм в пределах одной популяции организмов (животных или растений). Термин инбридинг  обычно используется для животных, а в отношении растений чаще используется термин «инцухт» (нем. Inzucht).

Осторожное применение инбридинга тесных степеней на выдающихся предков, а также комплексный инбридинг на двух или нескольких высокоценных животных, особенно помесного происхождения, предварительно уже испытанных в родственных спариваниях, дают хорошие результаты. Тесный инбридинг необходим при существенной качеств, переделке породы, а также на начальных этапах создания новых пород инбридинг применяют для выведения высокогомозиготных линий животных с целью последующего использования кроссов этих линий для получения высокопродуктивного потомства с признаками гетерозиса. Для получения гетерозисных животных применяют инкроссинг — кросс двух инбредных линий, выведенных в пределах одной породы, инкроссбридинг — кросс инбредных линий разных пород, топкроссинг — спаривание инбредных производителей с неинбредными и неродственными производителю матками. Близкородственное спаривание как острый и рискованный приём разведения животных применяют в СССР в племеных х-вах при углублённой плем. работе, умереннородственное — в плем. х-вах для репродукции плем. материала. В пользовательном животноводстве инбридинг недопустим.

Изменение расщепления по фенотипу  в отношении 3:1 во втором поколении  моногибридного скрещивания бывает связано  с разной жизнеспособностью  зигот Ф2. Разная жизнеспособность  зигот может быть обусловлена наличием летальных генов. Летальным называется ген, вызывающий нарушения в развитии организма, что приводит его к гибели или уродству.

Изучение врожденных аномалий показало, что при разных летальных генах  гибель особей бывает различной и может происходить на разных стадиях развития.

По классификации, предложенной Розенбауэром (1969), гены, вызывающие гибель 100 % особей до достижения ими половой зрелости, называются летальными, более 50 % —сублетальными (полулетальными) и менее 50 % — субвитальными. Однако следует отметить, что разделение это до некоторой степени условно и иногда не имеет четких границ. Примером может служить сцепленная с полом голость у кур. Почти половина голых цыплят гибнет в последние 2—3 дня инкубации. Из числа вылупившихся около половины цыплят гибнет до 6-недельного возраста, если их выращивают при температуре 32—35 "С. Но если температура в брудерах будет повышена на 5,5 °С, то погибнет значительно меньше голых цыплят. В 4—5 мес у голых цыплят вырастает редкое оперение и они уже в состоянии переносить довольно низкие температуры. В естественных условиях эта мутация, по-видимому, будет летальной и приведет к 100%-ной гибели птиц. Приведенный пример показывает, что характер проявления полулетального гена в значительной мере может зависеть от условий среды.

Летальные гены могут быть доминантными и рецессивными. В числе первых летальных факторов был открыт аллель, обусловливающий желтую окраску мышей. Ген желтой окраски является доминантным (Y). Его рецессивный аллель (у) в гомозиготном состоянии обусловливает появление черной окраски. Скрещивание желтых мышей между собой давало в потомстве две части особей желтых и одну часть черных, т. е. получалось расщепление 2:1, а не 3:1, как следовало из правила Менделя. Оказалось, что все взрослые мыши гетерозиготны (Yy). При скрещивании между собой они должны были дать одну часть гомозиготного потомства по желтой окраске (IT), но оно погибает еще в эмб-риональном периоде, две части гетерозигот (Yy) будут желтыми и одна часть гомозигот по рецессивному признаку (уу) будет черной. Схема скрещивания выглядит так:

Таким же образом наследуется серая  окраска шерсти у каракульских овец (сокольских, малич и др.), платиновая окраска у лисиц, распределение  чешуи у линейных карпов и т. д.

Летальные гены в большинстве случаев  рецессивны и поэтому долгое время  могут находиться в скрытом состоянии. Совершенно здоровое и нормальное по фенотипу животное может быть носителем  летального гена, действие которого обнаруживается только при переходе в гомозиготное состояние. В гомозиготное состояние  летальные гены чаще всего переходят  при родственном спаривании. В  практике животноводства при разведении лошадей был случай гибели 25 жеребят  на 2—4-й день после рождения от уродства прямой кишки — отсутствия заднепроходного  отверстия (Atresia ani). Оказалось, что все  жеребцы и кобылы, от которых рождались  такие ненормальные жеребята, происходили  от одного жеребца. Он был гетерозиготен  по летальному гену (LI). Вначале этот жеребец при скрещивании с нормальными кобылами (LL) дал потомство, по фенотипу нормальное, но по генотипу половина потомков была благополучной (LL), a половина — гетерозиготной (LI), несущей рецессивный задаток (0 летального гена. При родственном спаривании гетерозиготных животных (Ы х Ы) появилась часть жеребят, гомозиготных по летальному гену (II), с уродством прямой кишки. Они все погибли.