Введение
Сельскохозяйственная биотехнология, также известная как агротехнологии, — это область сельскохозяйственной науки, включающая использование научных инструментов и методов, в том числе генетической инженерии, молекулярных маркеров, молекулярной диагностики, вакцин и культуры тканей, для модификации живых организмов: растений, животных и микроорганизмов. Биотехнология сельскохозяйственных культур является одним из аспектов сельскохозяйственной биотехнологии, который в последнее время получил значительное развитие. Желаемые признаки переносятся из одного вида сельскохозяйственной культуры в совершенно другой вид. Эти трансгенные культуры обладают ценными характеристиками в отношении вкуса, окраски цветков, скорости роста, размера урожая и устойчивости к болезням и вредителям.
Agricultural biotechnology, also known as agritech, is an area of agricultural science involving the use of scientific tools and techniques, including genetic engineering, molecular markers, molecular diagnostics, vaccines, and tissue culture, to modify living organisms: plants, animals, and microorganisms. Crop biotechnology is one aspect of agricultural biotechnology which has been greatly developed upon in recent times. Desired trait are exported from a particular species of Crop to an entirely different species. These transgene crops possess desirable characteristics in terms of flavor, color of flowers, growth rate, size of harvested products and resistance to diseases and pests.
История
Фермеры манипулировали растениями и животными посредством селективного разведения на протяжении десятков тысяч лет, чтобы получить желаемые признаки. В XX веке скачок в развитии технологий привел к увеличению использования сельскохозяйственной биотехнологии, направленной на отбор таких характеристик, как повышенная урожайность, устойчивость к вредителям, засухоустойчивость и устойчивость к гербицидам. Первый продукт питания, полученный с помощью биотехнологий, поступил в продажу в 1990 году, а к 2003 году биотехнологические культуры использовали 7 миллионов фермеров. Более 85% этих фермеров находились в развивающихся странах.
Традиционное разведение
Традиционное скрещивание использовалось на протяжении веков для улучшения качества и урожайности сельскохозяйственных культур. Скрещивание объединяет два полово зрелых вида для создания нового, уникального сорта, сочетающего желаемые признаки родительских растений. Например, яблоко сорта «Ханни Крисп» обладает особой текстурой и вкусом благодаря скрещиванию его родителей. В традиционной практике пыльца с одного растения переносится на пестик другого, в результате чего получается гибрид, содержащий генетическую информацию от обоих родительских растений. Селекционеры отбирают растения с нужными признаками и продолжают их размножать. Важно отметить, что скрещивание возможно только между одним видом или близкородственными видами.
Мутагенез
Мутации могут возникать случайным образом в ДНК любого организма. Для создания разнообразия в сельскохозяйственных культурах ученые могут намеренно вызывать мутации в растениях. Мутагенез использует радиоактивное излучение для индуцирования случайных мутаций в надежде на появление желаемого признака. Ученые могут использовать мутагенные химические вещества, такие как этилметансульфонат, или радиоактивное излучение для создания случайных мутаций в ДНК. Атомные сады используются для мутирования сельскохозяйственных культур. Радиоактивный источник находится в центре круглого сада и приподнят над землей для облучения окружающих растений, вызывая мутации в определенном радиусе. Мутагенез с использованием радиации был использован для выведения грейпфрутов рубиново-красного цвета.
Полиплоидия
Полиплоидию можно индуцировать для изменения числа хромосом в сельскохозяйственной культуре с целью повлиять на ее плодовитость или размер. Обычно организмы имеют два набора хромосом, что также известно как диплоидия. Однако, как естественным путем, так и с использованием химических веществ, это число хромосом может изменяться, что приводит к изменению плодовитости или модификации размера растения. Безсеменные арбузы создаются именно таким образом: арбуз с четырьмя наборами хромосом скрещивается с арбузом с двумя наборами хромосом, в результате чего получается стерильный (безсеменный) арбуз с тремя наборами хромосом.
Слияние протопластов
Слияние протопластов – это соединение клеток или компонентов клеток для передачи признаков между видами. Например, признак мужской стерильности передаётся от редиса к красной капусте посредством слияния протопластов. Эта мужская стерильность помогает селекционерам создавать гибридные культуры.
РНК-интерференция
РНК-интерференция (РНКi) – это процесс, при котором снижается или прекращается работа механизма РНК клетки, приводящего к синтезу белка, для подавления активности генов. Этот метод генетической модификации действует путем вмешательства в работу матричной РНК (мРНК), чтобы остановить синтез белков и эффективно «выключить» ген.
Трансгенные
Трансгенез включает в себя введение фрагмента ДНК в ДНК другого организма с целью внедрения новых генов в исходный организм. Это добавление генов в генетический материал организма создает новую разновидность с желаемыми признаками. ДНК должна быть подготовлена и упакована в пробирке, а затем введена в новый организм. Новая генетическая информация может быть введена с помощью генных пушек (биолистики). Примером трансгенного организма, полученного с помощью генной пушки, является радужная папайя, модифицированная геном, обеспечивающим устойчивость к вирусу кольцевой пятнистости папайи.
Редактирование генома
Редактирование генома — это использование ферментной системы для непосредственного изменения ДНК внутри клетки. Редактирование генома применяется для создания рапса, устойчивого к гербицидам, чтобы помочь фермерам бороться с сорняками.
Улучшение питательного содержания
Сельскохозяйственная биотехнология используется для повышения питательной ценности различных сельскохозяйственных культур, чтобы удовлетворить потребности растущего населения. Генная инженерия позволяет создавать культуры с более высокой концентрацией витаминов. Например, золотой рис содержит три гена, которые позволяют растениям производить соединения, преобразующиеся в витамин А в организме человека. Этот рис с улучшенными питательными свойствами разработан для борьбы с основной причиной слепоты в мире – дефицитом витамина А. Подобным образом, проект Banana 21 работает над улучшением питательной ценности бананов для борьбы с дефицитом микроэлементов в Уганде. Благодаря генетической модификации бананов для содержания витамина А и железа, Banana 21 способствовал решению проблемы дефицита микроэлементов, используя основной продукт питания и основной источник крахмала в Африке. Кроме того, сельскохозяйственные культуры могут быть модифицированы для снижения токсичности или для создания сортов, лишенных аллергенов.
Устойчивость к насекомым
Одной из наиболее востребованных характеристик является устойчивость к насекомым-вредителям. Эта характеристика повышает устойчивость сельскохозяйственных культур к вредителям и позволяет получить более высокий урожай. Примером такой характеристики служат культуры, генетически модифицированные для производства инсектицидных белков, впервые обнаруженных у (Bacillus thuringiensis). Bacillus thuringiensis – это бактерия, производящая белки, отпугивающие насекомых, безвредные для человека. Гены, отвечающие за эту устойчивость к насекомым, были выделены и внедрены во многие культуры. Кукуруза и хлопок, содержащие Bt, стали широко распространены, а коровник, подсолнечник, соя, помидоры, табак, грецкий орех, сахарный тростник и рис – все они изучаются в контексте применения Bt.
Терпимость к гербицидам
Сорняки на протяжении тысячелетий являются проблемой для фермеров: они конкурируют за питательные вещества почвы, воду и солнечный свет, нанося ущерб урожаю. Биотехнология предложила решение в виде устойчивости к гербицидам. Химические гербициды распыляются непосредственно на растения для уничтожения сорняков и, следовательно, устранения конкуренции, что позволяет устойчивым к гербицидам культурам успешно развиваться.
Устойчивость к болезням
Часто посевы поражаются болезнями, распространяемыми насекомыми (например, тлей). Контроль над распространением болезней среди сельскохозяйственных культур – чрезвычайно сложная задача, и ранее она решалась только полным удалением пораженных растений. Сельскохозяйственная биотехнология предлагает решение посредством генетической инженерии для придания устойчивости к вирусам. К культурам, устойчивым к болезням, полученным с помощью генной инженерии, в настоящее время относятся маниока, кукуруза и батат.
Термостойкость
Сельскохозяйственная биотехнология также может предложить решение для растений, выращиваемых в экстремальных температурных условиях. Для максимизации урожайности и предотвращения гибели растений, можно внедрить гены, регулирующие устойчивость к холоду и жаре. Например, табак был генетически модифицирован для повышения устойчивости к высоким и низким температурам с использованием генов, изначально обнаруженных у папайи Carica. К другим полезным признакам относятся эффективность использования воды, азота и солеустойчивость.
Качественные признаки
К качественным признакам относятся повышенная питательная ценность или диетические свойства, улучшенные технологичность и хранение, а также устранение токсинов и аллергенов в сельскохозяйственных растениях.
Обычные ГМО-культуры
В настоящее время в Соединенных Штатах доступно для покупки и употребления лишь небольшое количество генетически модифицированных культур. Министерство сельского хозяйства США одобрило сою, кукурузу, рапс, сахарную свеклу, папайю, цуккини, люцерну, хлопок, яблоки и картофель. ГМО-яблоки (яблоки "Арктик") не темнеют на срезе, что устраняет необходимость в обработке для предотвращения потемнения, снижает пищевые отходы и улучшает вкусовые качества. Производство Bt-хлопка резко возросло в Индии: в 2011 году впервые было засеяно 10 миллионов гектаров, что привело к сокращению применения инсектицидов на 50%. В 2014 году индийские и китайские фермеры посадили более 15 миллионов гектаров Bt-хлопка.
Испытания безопасности и государственные правила
Регулирование сельскохозяйственной биотехнологии в США осуществляется тремя основными государственными учреждениями: Министерством сельского хозяйства (USDA), Агентством по охране окружающей среды (EPA) и Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA). USDA должно одобрить выпуск любых новых ГМО, EPA осуществляет контроль за регулированием инсектицидов, а FDA оценивает безопасность конкретной сельскохозяйственной культуры, поступающей на рынок. В среднем, для вывода на рынок генетически модифицированного организма требуется почти 13 лет и 130 миллионов долларов на исследования и разработки. Сам процесс регулирования в Соединенных Штатах может занимать до 8 лет. Безопасность ГМО стала предметом дебатов во всем мире, однако проводятся научные исследования для оценки безопасности употребления ГМО в дополнение к работе FDA. В одном из таких исследований было заключено, что Bt-рис не оказывает негативного воздействия на пищеварение и не вызывает горизонтальный перенос генов.