Все любят яблоки. Сочные, хрустящие, вкусные. Однако создание нового сорта и путь к покупателю занимает десятилетия, рассказывает Володимир Меженский, профессор кафедры садоводства им. проф. В.Л.Симиренко НУБиП Украины, в своем блоге на EastFruit. Современные методы молекулярной биологии позволяют улучшать растения генетически, значительно ускоряя для селекционера прохождение его тернистого пути. А еще сколько неожиданных препятствий на нем встречается?
Всем известно, что яблоки с красной мякотью происходят от яблони Недзвецкиевой (Malus sieversii f. niedzwetzkiana), которая имеет интенсивную антоциановую окраску всех органов. К сожалению, антоцианы, являющиеся фенолами, обуславливают терпкость, что не нравится потребителям. Даже гибриды третьего-четвертого поколения скрещиваний с лучшими по вкусу сортами обычных яблок уступают последнему по вкусу.
Новозеландские ученые из Plant and Food Research определили, какой ген отвечает за красную окраску мякиша яблок, и, чтобы не тратить десятилетия на гибридизацию решили отредактировать геном яблони, что позволяет получить желаемый эффект улучшения за несколько лет.
Сказано – сделано. Всего за шесть лет был создан новый сорт. И здесь — неожиданность. Законы Новой Зеландии не позволяют употреблять модифицированные яблоки. Были выполнены все возможные анализы биохимического состав и других показателей качества плодов, кроме одного — органолептического оценивания вкуса. А это – основной тест для яблока, чтобы определить будет ли нравиться его вкус потребителю.
Теплица компании Plant and Food Research, где производилась работа, является замкнутым помещением с нормативными и материально-техническими регуляциями. Принимать пищу в теплице запрещено – даже выпить чашку кофе запрещено. Так что, о том, чтобы попробовать новосозданные яблоки в теплице, не могло быть и речи. Два года было потрачено на попытки получить официальное разрешение на тестирование их по вкусу вне теплицы, но без успеха. Представляете себе мучения селекционеров, держать яблоки в руке и не иметь возможности попробовать их ни в самой теплице, ни за ее пределами. Единственным выходом было вывезти яблоки в страны, где можно есть свежие генетически модифицированные продукты.
Договорились с учеными США. Из яблок удалили сердцевину, чтобы не было семян. Плоды упаковали в мешки и запломбировали, чтобы получить разрешение на перевозку яблок из теплицы в аэропорт, а затем в Америку.
Дегустация в Америке прошла на «ура». Во время вкусовых тестов с завязанными глазами их определили как яблоки Royal Gala, то есть одни из лучших, нравящихся людям. Затем дегустаторы имели возможность увидеть внешний вид плодов и окраску мякоти: «WOW, это невероятно».
Новозеландцам удалось сочетать великолепный вкус Royal Gala с интенсивной антоциановой окраской мякоти от яблони Недзвецкиевой. Так что вскоре новые яблоки появятся на рынках мира, доберутся и до Украины, чтобы и мы могли оценить успех селекционеров. Антоцианы не только придают привлекательность плодам, но и повышают их нутрицевтическую ценность, что важно для рационального питания.
Как создают ГМО-сорта яблока?
Генетически модифицированный организм (ГМО) – организм, генотип которого был изменен с помощью методов генной инженерии. Эта наука зародилась еще 50 лет назад, и сейчас ее достижения измеряются сотнями миллиардов долларов прибыли. В частности, культуры сои, кукурузы, хлопчатника ныне немыслимы без генномодифицированных сортов. А также рис, рапс, сахарная свекла и сахарный тростник, табак, помидоры, кабачки, картофель, дыни, земляника, слива, яблоня и еще несколько десятков культур уже имеют сорта, созданные с применением новейших методов генной инженерии. Об этом рассказывает Володимир Меженский, профессор кафедры садоводства им. проф. В.Л.Симиренко НУБиП Украины, в своем блоге на EastFruit.
В свое время «ГМО» стало бранным словом, которым пугали потребителей. Клубни картофеля, которые не ест колорадский жук, запретили для выращивания. А почему? Ибо транснациональные корпорации, получающие сверхприбыли на поставках средств защиты, значительно обеднели бы.
В Украине ни один генномодифицированный сорт не зарегистрирован, однако их уже полно на полях и ответственные люди опускают глаза. Десять процентов пищевых продуктов в нашей торговой сети содержат ГМО, а хитрые бизнесмены наклеивают этикетки «Без ГМО» даже на минеральную воду)))). Кстати, между прочим, все мы также генномодифицированы, потому что природа на протяжении эволюционного развития внедрила в наш с вами организм много чужеродных генов
Это так, просто вводное слово. Ранее я рассказал о создании новозеландцами геномодифицированного сорта яблони с красной мякотью. Гибридизация до сих пор остается основным методом создания новых сортов, однако молекулярные генетики тоже не дремлют.
Как это происходит?
Сначала ученые определили ген, отвечающий за красную окраску мякоти в яблоках, MdMYB10 и его расположение. На первом этапе модификации растения (1) создают конструкцию, содержащую серебристый ген. Этому гену нужен промотор, эффективно им управляющий, заставляя создавать РНК, которая будет превращаться в белок. А еще нужен терминатор, решающий, когда гену прекратить транскрипцию. Кроме того, следует добавить гены, устойчивые к антибиотикам, чтобы было легче подбирать те растения, которые были должным образом трансформированы.
В природе есть такая бактерия Agrobacterium tumefaciens, которая вызывает у растений рак. Ее способность интегрировать собственную ДНК в растение мы и используем в лаборатории, чтобы перенести интересующие нас гены в растения, которые мы трансформируем, и она делает это очень эффективно. Итак, на втором этапе (2), чтобы трансформировать яблоню с помощью Agrobacterium tumefaciens, сначала мы должны трансформировать эту бактерию с помощью интересующего нас гена в сочетании с геном устойчивости к антибиотикам. Затем мы берем дольки листа нашего растения, например, просто порезав его на кусочки, и вводим Agrobacterium в них. Где-то через 10 минут бактерия успевает интегрировать свою ДНК в открытые клетки яблоневого листа. Затем мы начинаем выращивать их на среде, содержащей антибиотик. Единственное, что растет на этой среде, это трансформированные клетки, которые содержат ген устойчивости к антибиотикам, и ген интересен нам.
На третьем этапе (3) мы выращиваем трансформированные клетки в питательной среде в культуре in vitro. Клетки делятся и растут, образуя недифференцированное скопление. Благодаря тотипотентности – способности каждой клетки восстановить из себя целое растение — мы достигаем это, вводя различные гормоны, вызывающие дифференцировку клеток. Они становятся клетками стебля, листьев, корня. Цитокинин способствует росту растения, удлинению побега, а ауксин способствует росту корней. Так мы получаем цельное растение. Следующий этап уже самый простой и знакомый садоводам. Лабораторные растения мы прививаем на подвой и получаем саженцы будущих яблоневых деревьев. Четвертый этап (4) нужен для подтверждения того, что созданные нами растения действительно содержат желаемые гены. Это можно проверить с помощью ПЦР – полимеразной цепной реакции, чтобы определить, где находится наш трансген в геноме яблони.
И, наконец (5), подлинное преимущество использования такой трансформации растений заключается в том, что мы можем точно изучить, что делают отдельные гены в растении. Мы можем взять отдельный ген и показать, что он делает. Мы можем проанализировать дерево, как оно растет и насколько эффективно оно растет, какой высоты и какого размера оно вырастет, так что мы можем предположить, что произойдет, например, во фруктовом саду. Но, что очень важно, мы можем посмотреть, как оно будет цвести, сколько плодов даст и, в конце концов, какими будут эти плоды, которые нас действительно интересуют.
Эта технология позволяет предвидеть, что может дать селекционная программа. Сейчас селекция путём гибридизации занимает много времени, тогда как генная инженерия выполняет задачи относительно быстро. Имея эти знания, мы можем рассмотреть все аспекты, например, как будут сохраняться яблоки, даже какой у них будет вкус.
«Мы едим ГМО каждый день». Успокоит ли противников найденное в продуктах «природное ГМО»?
Генно-модифицированными называют организмы, в ДНК которых специально внедрили чужие гены. Так генные инженеры улучшают свойства растений. Многие выступают против использования ГМО-продуктов якобы из-за их опасности. Однако последние исследования показали, что в природе и без человеческого вмешательства многие фрукты и овощи становятся трансгенными. Как это вышло, действительно ли их употребление опасно для человека и стоит ли маркировать ГМО-продукт — «Газете.Ru» рассказала профессор кафедры генетики и биотехнологии Санкт-Петербургского государственного университета, биолог Татьяна Матвеева.
— Известно, что генетические вставки, об опасности которых давно говорят противники ГМО, есть и в натуральных продуктах. Когда ученые обнаружили это впервые?
— Первая статья ученых из Вашингтонского университета, посвященная этому вопросу, была опубликована в 1983 году. Они обнаружили, что табак Nicotiana glauca содержит последовательности, очень похожие на таковые из агробактерий. Ее сейчас активно используют как инструмент получения трансгенных растений.
Долгое время было непонятно, насколько это явление распространено. А в 2012 году вышла наша статья. Мы провели поиск агробактериальных последовательностей в геноме у более сотни двудольных. В результате мы нашли такие последовательности у представителей рода Linaria (Льнянка — род травянистых однолетних и многолетних растений семейства Подорожниковые). Позже в 2015 году ученые обнаружили, что батат — природный ГМО.
Что табак, что льнянка, что батат активно использовались людьми. Поэтому наши исследования привлекли внимание. И это был мощный аргумент в споре с противниками ГМО о том, что генные инженеры вторгаются в природу, а потом мы едим непонятно каким образом полученные растения.
— Что представляют собой эти агробактерии, геном которых находят у растений?
— Это почвенная бактерия, близкий родственник микроорганизмов, образующих азотфиксирующие корневые клубеньки на бобовых растениях. Но в отличие от них, агробактерия, заражая растения, будет вызывать такие заболевания, как корончатые галлы и косматые корни. Эти бактерии приносят довольно большие неприятности сельскому хозяйству, потому что из-за них падает урожайность. Именно поэтому люди и стали их изучать. Выяснилось, что когда бактерия заражает растение, она умудряется вставить туда кусочек своей ДНК. В результате эта ДНК начинает работать в растениях, как будто родной растительный ген.
Сейчас уже понятно, что природных ГМО на самом деле очень много. И следы агробактериальных инфекций в геномах содержат около 7% двудольных растений. А к двудольным относятся овощи и фрукты. Кроме того, природный ГМО содержится в таких продуктах, как чай, арахис, васаби, клюква, голубика, черника, родственники грецкого ореха, хурма и т. д.
— То есть получается, если мы пьем чай каждый день, значит мы каждый день употребляем ГМО?
— Да. Более того, в будущем, после изучения большего числа геномов растений, это число может увеличиться. Мы с вами говорим о 7% растений, которые у себя в геномах содержат гены агробактерии. Но есть, например, вирусы, которые тоже могут заражать растения, и оставлять следы в геноме, а потом передаваться из поколения в поколение. Это еще малоисследованная область, и тут тоже в ближайшее время можно ждать интересных открытий.
— Встроенные бактерией гены не просто «молчат», они работают в растениях?
— Да, и этому посвящена наша последняя статья про ночной табак. Мы даже описали продукт одного из этих генов. Это агроцинопин-синтаза, он синтезирует небольшие молекулы — опины. Считается, что эти молекулы привлекают определенные микроорганизмы, то есть, благодаря этому гену, растение получает возможность самостоятельно формировать свое микробное сообщество.
Зачем оно это делает, пока сложно сказать, — это следующий шаг наших исследований. Но есть две версии. Согласно первой, это может быть нужно для того, чтобы получать от них какие-то полезные вещества, например, если эти микробы могут фиксировать атмосферный азот. Тогда почва будет богата азотом, а растению это и нужно. Вторая версия заключается в том, что растение может привлекать одни бактерии, чтобы те отпугивали какие-то другие, патогенные.
— Как можно описать процесс встраивания генома агробактерии в растение?
— Это сложный механизм. У бактерии есть плазмида (кольцевая молекула ДНК), в состав которой входит Т-ДНК, от английского слова transferred — переносимая. Одна цепочка этой ДНК вырезается, а по другой достраивается оставшаяся последовательность, чтобы плазмида не потеряла свою исходную форму. Эта однонитевая цепочка защищается белками, которые являются продуктами генов той же плазмиды, но за рамками Т-ДНК. Они помогают вырезаться этой одной цепочке и облепляют ее со всех сторон, направляя из клетки бактерии в клетку растения.
Дальше, попадая в ядро, эта Т-ДНК должна встроиться в хозяйскую хромосому. И в этом процессе принимают участие как белки агробактериального происхождения, так и некоторые растительные белки.
— При создании искусственного ГМО генные инженеры повторяют этот процесс?
— Да. Они подглядели этот механизм у бактерий.
— Противники ГМО считают, что опасность таких растений заключается в возможности встраивания бактериального генома в ДНК человека. Это может произойти при употреблении в пищу батата, например?
— Если бы так было, мы бы давно были зелеными и фотосинтезировали. В батате действительно есть кусочек ДНК, который когда-то был бактериальным. Но это всего лишь маленькая толика ДНК, гораздо больше там родной.
Было проведено много исследований, где изучали возможность встраивания трансгенов в геном мышей, цыплят и других животных. Было показано, что трансгены никуда не встраиваются. Даже с коровами проводили такой опыт, и в молоке тоже ничего не обнаружили.
Если мы говорим о горизонтальном переносе генов — процессе передачи генетического материала не потомку, — то это широкое явление, которому подвержены все организмы. Для некоторых беспозвоночных показано, что порядка 5% их генов получено в результате горизонтального переноса.
— Кроме методик создания ГМО с помощью плазмид, существуют более новые технологии редактирования генома. Как работают эти редакторы?
— Для этого используют белки, которые умеют вносить разрезы в ДНК запрограммированным образом. После этого системы, которые восстанавливают целостность ДНК в клетке, эти разрезы ликвидируют, но делают это не точно. Таким образом можно создавать точечные мутации целенаправленно.
Вся эта конструкция, которая нарабатывает умеющий резать ДНК фермент, построена на тех же генно-инженерных принципах. Эту конструкцию можно доставить в растение при помощи агробактерии.
— Если в природе существует ГМО, с вашей точки зрения, должна ли на продуктах быть маркировка, сообщающая об искусственном внесении генов?
— На мой взгляд, маркировка искусственного ГМО должна быть. Если мы что-то пытаемся скрыть, пусть даже что-то безобидное, то у людей это будет вызывать опасения и страхи. Это обычная человеческая реакция — опасаться чего-то незнакомого.
Думаю, нужна маркировка и на отредактированный геном. Например, я, — ученый, который получил линию с отредактированным геномом, — должна иметь возможность ее представить людям, гордиться своей работой, а не скрывать это. Другое дело, если этого не сделать, то никто имеющимися методами обнаружить отредактированный геном не сможет.
— А если производить редактирование генома при помощи плазмиды агробактерии, то возможно обнаружить искусственный ГМО?
— Все зависит от того, остались ли в геноме следы от агробактерии или нет. Если мы получаем трансгенное растение при помощи агробактерии, то в нем мы находим фрагмент чужой ДНК. Откуда этот фрагмент взялся — следующий вопрос.
— Можем ли мы быть уверенными, что современными методами можно обнаружить любой трансген в растениях?
— Сейчас у нас есть общая база информации по всем известным трансгенным линиям, которые разрешены к выращиванию в мире. То есть, мы понимаем, какие трансгены имеет смысл искать в геноме.
Если представить, что какой-то злодей подсунул чужеродный ген в геном, например, томата, то это маловероятно. Это довольно трудоемкая и требующая высокой квалификации работа, которую дома кустарным образом или в какой-то подпольной лаборатории не сделать.
— В России существует закон, который запрещает выращивать ГМО, но не запрещает употреблять. С вашей точки зрения, хорош ли этот закон?
— Было бы лучше, чтобы наши производители имели возможность выращивать нормальные линии ГМО. По сути, сейчас этот закон работает на иностранных производителей. Трансгенные растения урожайнее, более устойчивы к неблагоприятным факторам среды, поэтому фермерам их возделывать выгоднее.
С моей точки зрения, нужно нормально регламентировать оборот ГМО в стране, чтобы мы могли внедрять и использовать собственные линии и разработки. Тем более, мы все равно каждый день едим ГМО, пусть и природные.
