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.

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.