От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии -  Реннеберг Рейнхард - Страница 19

Во многих странах предпринимаются экспериментальные попытки заселить клубеньковыми бактериями также другие культурные растения, не относящиеся к семейству бобовых. Специалисты по генной инженерии пытаются даже перенести гены азотфиксирующих бактерий в клетки злаков.

Новые растения из пробирки

Прежде чем злаки «научатся» извлекать азот непосредственно из воздуха, предстоит провести ещё немало исследований. В то же время уже сегодня новые высокоурожайные сорта растений размножают в пробирке при помощи биотехнологических методов. Сначала учёные культивируют растительные клетки (принципиально это аналогично культивированию микробов) в питательных растворах. Затем с помощью ферментов осторожно растворяют клеточные стенки. Подобная «голая» одиночная клетка способна делиться и размножаться, образуя в питательном растворе скопление клеток (каллус). После добавления определённых питательных и ростовых веществ из этого клеточного скопления спустя некоторое время вновь возникают полноценные растения! Таким путём из 1 г растительных клеток в пробирке можно вырастить тысячи растений. Подобным образом уже были размножены земляника, спаржа, ананас, люцерна и декоративные растения. Теперь на 1 м2 лабораторной площади можно за короткий срок вырастить 100 000 таких растеньиц, причём все из клеток одного «суперрастения». Получаемое потомство называют «клон» (от греч. clon — ветвь). Все они — как однояйцевые близнецы — имеют одинаковый наследственный материал. Например, путём «клонирования» удалось произвести 1000 молодых масличных пальм, которые были высажены в Юго-Восточной Малайзии. Эти пальмы — прямые потомки одной пальмы, оказавшейся необычайно устойчивой против болезней, а также дававшей на 20—30 % больше пальмового масла, чем обычно.

Клонирование растений.

На первом этапе (вверху слева) от растения, которое предполагается размножить, отрезается лист. В растворе, содержащем ферменты, разрушающие клеточные стенки, образуются тысячи одиночных «голых» клеток (протопластов), не имеющих стенок. В питательном растворе протопласты образуют новые клеточные стенки, клетки начинают делиться (внизу справа). Приблизительно через две недели из каждой отдельной клетки возникает скопление клеток (каллюс) (внизу слева). Каллюс помещают на особую питательную среду, где он развивается в полную силу и начинает образовывать побег (в центре слева). На другой питательной среде побег вырастает в маленькое растеньице с корнями, которое затем высаживают в землю (вверху слева). Так из одного-единственного листа в самое короткое время можно вырастить тысячи новых растений со свойствами материнского растения.

В культивационном сосуде крошечная роза, возникшая в результате клонирования.

Если растительные клетки удаётся, подобно микроорганизмам, культивировать в питательных растворах, то почему бы не попробовать также изменять их при помощи генно-инженерных методов? Растения, устойчивые против засухи и средств защиты растений (гербицидов), растущие даже на засолённых почвах и отличающиеся большим содержанием белка — таковы некоторые цели, намеченные специалистами по генной инженерии. К сожалению, в растительные клетки нельзя непосредственно ввести плазмиды, как это имело место у бактерий. Однако учёные и здесь отыскали «кукушку» для генов: широко распространенную почвенную бактерию Agrobacterium tumefaciens. Эта бактерия инфицирует растительные клетки и побуждает их к беспорядочному опухолеобразному росту и образованию «галлов»[20]. В галлах гены бактерий с помощью бактериальных плазмид проникают в клетки растений. Затем изменённые растительные клетки галлов клонируют в пробирке, как описано выше, и вновь выращивают из них целые растения. Таким образом, культурным растениям действительно можно передать такие свойства, как повышенная продуктивность белка или связывание азота воздуха, или устойчивость против засухи и вредителей.

Из чисто научного интереса была сделана попытка включить в растения табака гены светлячка. Подвергнутые подобным манипуляциям табачные растения испускали в темноте зеленовато-желтое сияние — доказательство того, что эксперимент удался.

Микробы против вредителей

В некоторых африканских странах насекомые или грызуны уничтожают около 60 % урожая. В Европе потери урожая составляют от 25 до 40 %. Кроме того, в тропических странах насекомые представляют опасность как переносчики малярии (комары рода Anopheles) или сонной болезни (муха цеце). Малярией впервые заболевают ежегодно 300 млн человек; по своим масштабам малярия занимает первое место в мире среди других болезней на Земле.

Для борьбы с насекомыми используются различные химические препараты, называемые инсектицидами; ежегодные затраты на эти средства составляют ~2,5 млрд долл. Однако при этом погибают не только вредители, но все другие насекомые, входящие в контакт с инсектицидами. Тем самым инсектициды нарушают совместную среду обитания животных и растений, происходит постепенное отравление насекомоядных животных, особенно птиц. Инсектициды в конце концов попадают и в воду, и в нашу пищу. Кроме того, примерно на 400 видов насекомых инсектициды уже не оказывают никакого воздействия, так как эти виды стали устойчивыми к применяемым препаратам. Для того чтобы бороться с этими устойчивыми видами, необходимо увеличивать дозировку яда, либо применять новые инсектициды. Поэтому во многих странах занимаются поиском безвредных для окружающей среды биологических методов борьбы с вредителями.

В настоящее время в Советском Союзе и США уже выращивают «поточным методом» миллионы крохотных (длина не более 1 мм) наездников-трихограмм и переносят их на поля, поражённые вредителями. Каждая трихограмма-самка прокалывает до 300 яиц других насекомых и откладывает в них свои яйца. Вышедшие из яиц-паразитов гусеницы-трихограммы пожирают содержимое яйца хозяина.

Бактерии, грибы и вирусы также используются для борьбы с вредителями. Так, Bacillus thuringiensis, которая стала известна в Тюрингии как истребитель личинок моли, прекрасно зарекомендовала себя и как «убийца» гусениц. Водными взвесями этих микробов опрыскивают поля, и гусеницы поедают их вместе с кормом. Микробы образуют ядовитые кристаллы белка, которые разрушают кишечник гусениц, вызывая их гибель. В настоящее время Bacillus thuringiensis выращивают в биореакторах. Одной тонны микробного препарата достаточно, чтобы очистить от вредителей 300 га леса, свекловичных полей, посевов хлопчатника или плантаций плодовых деревьев!

Удалось также передать ген, контролирующий образование ядовитых кристаллов белка от Bacillus thuringiensis, бактериям, заселяющим корни (Pseudomonas florescens). Теперь гусеницы озимой совки, повреждающие хлебные злаки посредством погрызов корней, погибают, если только поглотят вместе с пищей бактерии Pseudomonas, трансформированные генно-инженерными методами.

Было испробовано совместное применение наездников-трихограмм и бацилл против капустниц. При этом «наездники» снижают количество яиц бабочек, бациллы же убивают только что вылупившихся гусениц. Новые бактериальные штаммы действуют специально против колорадского жука. Насекомых, питающихся на лесных деревьях, например трубковерта дубового или различные виды шелкопрядов, можно ликвидировать так же направленно, как домашних мух, златогузок или комаров Anopheles, не затрагивая существования других насекомых, в частности пчёл. В Советском Союзе против непарного шелкопряда и монашенки, а в США против шиповатого червя успешно применяют вирусы. Для борьбы с колорадским жуком, яблонной плодожоркой и комарами используются микроскопические грибы.