Достижения генетической инженерии в растениеводстве – растения, устойчивые к гербицидам.

В современном сельскохозяйственном производстве практически невозможно обойтись без гербицидов. И хотя гербициды нового поколения высокоэффективны в низких концентрациях и быстро разрушаются в почве, они не являются селективными и ингибируют рост как сорняков, так и культурных растений. Большинство гербицидов действуют на растения путем инактивации жизненно важных ферментов, связанных с фотосинтезом или другими биосинтетическими путями. Исходя из механизмов действия гербицидов на растения разработано три основных генно-инженерных подхода к созданию гербицидоустойчивых растений:

• - модификация растительного фермента мишени, в результате которой он теряет чувствительность к гербициду;
• - индуцирование повышенного синтеза фермента без нарушения его нормального метаболизма;
• - введение в геном растения фермента, способного деградировать и детоксицировать гербицид в растении.

Получить растение с модифицированным геном целевого фермента можно методом мутагенеза или селекцией растений на гербицидоустойчивость. Например, из мутанта арабидопсиса, устойчивого к гербициду имазапиру, был клонирован ген, кодирующий фермент ацетолактатсинтазу (ALS). Этот фермент является мишенью данного гербицида. Оказалось, что клонированный ALS ген (CSR-1) имеет одну точечную замену нуклеотида G на А в положении 1958, что привело к замене серина на аспарагин в зрелом ферменте и явилось причиной его нечувствительности к гербициду. При введении мутантного гена в табак полученные трансформанты выдерживали концентрацию гербицида в 100 раз большую, чем нетрансформированные контрольные растения.

Содержание второго подхода раскрывает пример создания устойчивых растений к гербициду глифосату. Он ингибирует синтез ароматических аминокислот (фенилаланин, тирозин) у бактерий и растений, а ген аrоА кодирует фермент EPSP (3-енолпирувилшикимат-5-фосфатсинтазу), на который действует глифосат. Введение аrоА-гена с помощью мультикопийных плазмид в бактерии Е. coli приводило к 5-17-кратному увеличению уровня EPSP синтазы и, как следствие, к 8-кратному повышению устойчивости бактерий к глифосату. Были созданы растения петунии с аrоА-геном, стоящим под сильным 35S промотором. Наблюдалась сверхпродукция EPSP фермента и устойчивость растений к гербициду.

Примером третьего подхода к получению гербицидоустойчивых растений может быть создание трансгенных растений, устойчивых к гербициду фосфинотрицину (коммерческое название Баста). Он является аналогом глутаминовой кислоты и ингибирует в растении глютаминсинтазу. В результате в растении накапливается аммиак (NH4), токсичный для растения. Однако гербицид может быть превращен в нетоксичное вещество ферментом фосфинотрицинацетилтрансферазой (PAT). Этот фермент кодируется геном bar, который выделен из штамма стрептомицетов Streptomyces hygroscopicus. Ген bar широко используется в конструкциях векторных плазмид для получения различных трансгенных растений, нечувствительных к гербициду Баста. Созданные трансгенные растения томатов, картофеля, пшеницы, клевера проявляют устойчивость к высоким концентрациям гербицида. Этот подход ценен еще тем, что гербицид теряет свою токсичность и меньше загрязняет окружающую среду.

Сходная методология успешно использована для создания трансгенных растений, устойчивых к гербициду 2,4Д (дихлорфеноксиуксусная кислота).

В последнее время создано много генетически модифицированных коммерческих сортов (соя, кукуруза, подсолнечник, рапс, лен и др.), устойчивых к гербицидам. Например, ГМ соя получила широкое распространение в Америке, Канаде, Аргентине. Рост популярности такого сорта сои в фермерстве (даже несмотря на то, что стоимость семян высока) можно объяснить тем, что издержки производства заметно сокращаются. В процессе возделывания сои, которая устойчива к Раундапу, большая часть фермеров ограничивается лишь одной обработкой посевов этим гербицидом. При этом затраты на химические средства защиты составляют 10-40 %.