Биотехнология в сельском хозяйстве: растения

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Биотехнология в сельском хозяйстве: растения

Во все времена растения и животные служили для людей источником пищи, строительных материалов, горючего, одежды, медикаментов и т.д. В течение многих тысяч лет люди продолжают улучшать их породы и сорта соответственно своим все возрастающим и изменяющимся потребностям. В 1900 году население Земли составляло примерно 1,6 миллиарда человек. С тех пор оно выросло до более чем 6 миллиардов и, по подсчетам специалистов, к 2030 году достигнет 10 миллиардов. По оценкам ФАО - Организации ООН по вопросам продуктов питания и сельского хозяйства - для обеспечения пищей растущей популяции к тому времени объемы мирового производства продуктов питания должны удвоиться при сохранении существующих сельскохозяйственных площадей.

Биотехнология способна помочь удовлетворить постоянно возрастающую потребность в продуктах питания за счет увеличения урожайности, снижения потребности в затратах на выращивание сельскохозяйственных культур (например, уменьшая потребность растений в воде и удобрениях), а также обеспечить экологически приемлемые методы защиты от вредителей.

2. Биотехнология сельскохозяйственных растений

Начиная с каменного века люди отбирали растения с удовлетворяющими их характеристиками и сохраняли их семена на следующий год. Отбирая лучшие семена, первые агрономы осуществили первичное генетическое модифицирование растений и таким образом одомашнили их задолго до того, как были открыты основные генетические закономерности. Сотни лет фермеры и селекционеры растений пользовались перекрестным скрещиванием, гибридизацией и другими подходами к модификации генома, приводящими к увеличению урожайности, улучшению качества продукции и повышению устойчивости растений к насекомым-вредителям, болезнетворным микроорганизмам и неблагоприятным условиям среды.

По мере углубления знаний о генетике растений человек начал осуществлять целенаправленное перекрестное скрещивание (кроссбридинг) обладающих желаемыми характеристиками или не имеющих нежелательных признаков сортов растений и межвидовую гибридизацию с целью получения новых сортов, сохранивших лучшие качества обеих родительских линий. В настоящее время практически любая сельскохозяйственная культура является результатом кроссбридинга, гибридизации или применения обоих подходов. К сожалению, эти методы нередко дороги, требуют больших затрат времени, неэффективны и имеют существенные практические ограничения. Например, для создания с помощью традиционного кроссбридинга сорта кукурузы, устойчивого к определенным насекомым, потребовался бы не один десяток лет, причем без гарантированного результата.

Биотехнологические подходы позволяют современным селекционерам выделять отдельные гены, отвечающие за желаемые признаки, и перемещать их из генома одного растения в геном другого. Этот процесс гораздо более точен и избирателен, чем традиционное скрещивание, в ходе которого тысячи генов, обладающих неизвестными функциями, перемещаются из одного сорта или вида растений в другой.

Биотехнология позволяет и то, что не под силу природе - перемещение генов между растениями, животными и микроорганизмами. Это открывает огромные возможности для улучшения качества урожая. Например, мы можем взять бактериальный ген, токсичный для болезнетворного грибка, и встроить его в геном растения. Растение при этом начинает синтезировать фунгицидный белок и в борьбе с грибком больше не нуждается в помощи извне.

3. Повышение урожайности

Современные селекционеры-биотехнологи ставят перед собой те же задачи, что и при традиционном кроссбридинге и других методах модификации генома: повышение урожайности; устойчивость к болезнетворным бактериям, грибкам и вирусам; способность выживать в неблагоприятных условиях среды (при заморозках и засухах); устойчивость к вредителям, таким как насекомые, сорняки и круглые черви (нематоды).

генетический модифицированный гибридизация урожайность

4. Естественная защита растений

Растения, как и животные, обладают врожденными механизмами защиты от различных насекомых и заболеваний. В настоящее время ученые ведут активный поиск соединений, которые активизировали бы эти естественные механизмы, не нанося при этом вреда окружающей среде.

Биотехнология также открывает большие перспективы в работе над созданием новых биопестицидов, таких как белки микроорганизмов и жирные кислоты, токсичные для определенных сельскохозяйственных вредителей, но безвредные для человека, животных, рыб, птиц и полезных насекомых. Уникальность механизмов действия биопестицидов обеспечивает защиту от вредителей, устойчивых к традиционным средствам.

Уже в 30-х годах прошлого века фермеры начали использовать в качестве биопестицида микроорганизм Bacillus thuringiensis (Bt), естественной средой обитания которого является почва. Некоторые белки, синтезируемые B. thuringiensis, смертельны для определенных насекомых, в том числе для кукурузного мотылька (Ostrinia nubilalis), ежегодно наносящего сельскому хозяйству США урон в 1,2 миллиарда долларов. Использование аэрозолей, содержащих бактерии Bt, позволяет уничтожить насекомых-вредителей, не прибегая к химическим средствам.

Возможности биотехнологии позволяют нам переносить гены белков, ядовитых для определенных вредителей (но не для людей, животных и полезных насекомых), в геном растений, которыми эти вредители питаются. Растение, которое раньше было источником пищи, становится смертельным для вредителя, что отменяет необходимость опрыскивания плантаций химическими пестицидами.

5. Устойчивость к гербицидам

Продуктивность сельскохозяйственной культуры зависит от присутствия в среде обитания сорняков, вступающих с основной культурой в конкуренцию за питательные вещества и влагу. Для уничтожения нежелательных растений сельскохозяйственные плантации, как правило, опрыскиваются гербицидами, которые в большей или меньшей степени токсичны не только для сорняков.

С помощью биотехнологических приемов можно повысить устойчивость культурных растений к гербицидам и таким образом в несколько раз уменьшить поступление токсичных веществ в окружающую среду.

6. Устойчивость к неблагоприятным факторам среды

Кроме описанных выше биологических факторов, препятствующих росту и развитию растений, существует еще целый ряд абиотических стрессорных воздействий, регулярно оказываемых природой на сельскохозяйственные культуры - это засухи, холод, жара, повышенная кислотность или засоленность почв. Селекционерам с помощью кроссбридинга удалось создать достаточное количество сортов растений, устойчивых к биологическим факторам окружающей среды, однако в отношении устойчивости к абиотическим стрессам все не так просто. Основным лимитирующим моментом в данном случае является отсутствие у многих видов культурных растений диких родственников, обладающих устойчивостью к тому или иному фактору среды.

Репродуктивная несовместимость, ограничивающая возможности традиционного кроссбридинга, совершенно не влияет на возможности биотехнологии растений, т.к. гены практически любого организма могут использоваться для улучшения существующих сортов сельскохозяйственных культур. В настоящее время ученые делают большие достижения в разработке сортов, способных расти и давать урожай в различных природных условиях. В качестве примера можно привести генетически модифицированные сорта помидоров и канолы (разновидность рапса), которые могут переносить в 100 раз более высокий уровень солености почвы, чем традиционные сорта. Исследователи также идентифицировали большое количество генов, ответственных за естественную устойчивость некоторых растений и бактерий к холоду, жаре и засухе. Мексиканские ученые создали сорта кукурузы и папайи, устойчивые к повышенному содержанию в почве алюминия, оказывающему негативное влияние на продуктивность сельского хозяйства многих развивающихся стран.

Кроме достоинств, которыми продукты аграрной биотехнологии обладают с точки зрения сельского хозяйства, внедрение ее методов приносит неоспоримые экологические и экономические выгоды.

Мы уже упоминали ранее, что генетически модифицированные культуры обладают повышенной урожайностью благодаря естественным механизмам защиты от вредителей, отменяющим необходимость использования химических пестицидов. Применение подобных приемов повышения урожайности позволяет нам сохранять в неприкосновенности дикую природу. Кроме того, обеспечиваемая биотехнологией высокоспецифичная защита растений от конкретных видов насекомых-вредителей способствует выживанию полезных насекомых, что также отражается на урожайности. Выращивание толерантных к гербицидам сортов растений позволяет фермерам проводить противоэрозийную вспашку, снижая тем самым уровень эрозии почв.

Фермеры многих стран мира выращивают генетически модифицированные сельскохозяйственные культуры уже не первый год. Статистические данные свидетельствуют о масштабах преимуществ, обеспечиваемых биотехнологией, как с экологической, так и с экономической точек зрения. В течение последних лет рядом независимых исследователей были предоставлены отчеты, документально подтверждающие все вышесказанное.

Согласно отчету Национального центра США по пищевой и аграрной политике (NCFAP) за 2004 год, в 2003 году адаптация в США 11 сортов шести генетически модифицированные сельскохозяйственных культур (канолы, кукурузы, хлопка, папайи, сои и тыквы) привела к увеличению объема собранного урожая на 5,3 миллиарда фунтов (24000 тонн), к экономии средств за счет снижения себестоимости продукции в 1,5 миллиарда долларов США и к снижению количества используемых пестицидов на 46,6 миллиардов фунтов (210000 тонн). Подсчитанный на основе этих данных чистый экономический доход составил 1,9 миллиардов долларов США.

В своем отчете «Меры защиты почвы от эрозии и биотехнология растений» Информационный центр США по мерам защиты почвы от эрозии (CTIC) университета Пердью (г. Лафейетт, штат Индиана) объясняет последние достижения в области снижения эрозии увеличением популярности устойчивых к гербицидам сортов, созданных с помощью биотехнологии. По подсчетам специалистов CTIC, на настоящий момент внедрение устойчивых к гербицидам сортов обеспечивает снижение эрозии на 1 миллиард тонн грунта в год, позволяет ежегодно экономить 3,6 миллиардов долларов США на восстановлении почв и снижает расход горючего на 3,9 галлонов на акр (43 литра на гектар).

По данным Международной службы по внедрению агробиотехнологических достижений, только внедрение http://www.cbio.ru/v5/modules/news/article.php?storyid=69 Bt-хлопка в сельское хозяйство развивающихся стран привело к следующим экономическим и экологическим достижениям:

- с 1999 по 2000 года использование инсектицидов в Китае снизилось на 67%, а объем урожая повысился на 10%, что привело к увеличению дохода от выращивания хлопка в 500 долларов США на гектар;

- проводимые в Индии с 1998 по 2001 года полевые испытания продемонстрировали возможность при в 2 раза меньшем расходе инсектицидов на 40% повысить урожайность, что равносильно повышению дохода с 75 до 200 долларов США на гектар.

- доход мелких фермеров Южной Африки повысился за счет 25%-го повышения урожайности и снижения затрат на инсектициды на 45 долларов США на акр (0,4 гектара). С учетом высокой стоимости семян Bt-хлопка (до 15 долларов США на гектар) выгода от его культивирования в среднем составила 35 долларов США на гектар.

7. Регламентация сельскохозяйственной биотехнологии

Учитывая то, что встраивание специфических генов донора не изменяет основные характеристики растения-реципиента, результат генетических модификаций предсказуем и может быть тщательно проконтролирован. Но, несмотря на это, все новые продукты питания проходят всестороннее тестирование по безопасности, качеству и другим параметрам.

Регуляторная политика США по биотехнологическим продуктам была разработана в 1986 году и опубликована Управлением Белого дома по разработке политики в области науки и техники в виде «Координированной структуры». Разработанная структура базируется на результатах работы международных экспертных комиссий, в том числе Организации Европейского сотрудничества и развития (OECD) и Национальной академии наук США. В рамках структуры ответственности органов государственного регулирования распределены, соотнесены с издаваемыми ими законами и скоординированы с работой других ведомств, обладающих перекрывающимися сферами деятельности.

Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) одобряет безопасность всех продуктов питания и входящих в их состав ингредиентов. Кроме того, все производители обязуются обеспечить безопасность и качество всех производимых ими пищевых продуктов.

FDA требует проведения тщательного предпродажного тестирования и строгого контроля генетических модификаций, существенно изменяющих питательную ценность исходного продукта, использование генетического материала из нетрадиционных источников и веществ, заведомо обладающих аллергенными свойствами.

FDA также требует специальной маркировки любой продукции, произведенной с использованием биотехнологических методов, существенно изменяющих питательную ценность исходного продукта, или содержащей потенциально аллергенные компоненты. Например, продукт, произведенный из растения, содержащего искусственно встроенный ген арахиса, являющегося известным аллергеном, должен в обязательном порядке пройти тщательное тестирование и особым образом промаркирован. FDA обладает полномочиями отзывать опасные для здоровья продукты с продовольственного рынка.

Министерство сельского хозяйства США (USDA) и Управление США по охране окружающей среды (EPA) устанавливают требования безопасности и/или предусмотренные нормы на разработку пестицидов, гербицидов и генетически усовершенствованных сортов. USDA обеспечивает контроль за тем, чтобы безопасность использования биотехнологически улучшенных сортов сельскохозяйственных культур, по крайней мере, соответствовала безопасности использования сортов, созданных с помощью традиционных методов. Строжайшему контролю подлежит источник происхождения новых сортов и их продуктивность в условиях тщательно контролируемых полевых испытаний. Проведение каждого полевого испытания рассматривается с точки зрения местных правил безопасности. Только в США за последние 15 лет такой детализированный контроль обеспечил успешное проведение 5000 полевых испытаний и промышленных высадок на более чем 20000 опытных и промышленных делянок.

Для контроля за выращиванием растений, обладающих защитными по отношению к вредителям свойствами, EPA пользуется собственными законами, однако согласовывает свою деятельность с USDA и FDA. EPA также устанавливает допустимые нормы остаточного содержания в пище любых новых соединений.

8. Повышая урожайность

Кроме увеличения продуктивности сортов за счет придания им устойчивости к заболеваниям, вредителям, сорнякам и воздействиям окружающей среды, сельскохозяйственные биотехнологи работают над непосредственным повышением урожайности культур. Японские ученые встроили гены, обеспечивающие фотосинтез растений кукурузы, в геном риса. Это повысило эффективность усвоения энергии солнечного света и накопления в зерне крахмала, и урожайность нового сорта риса оказалась на 30% выше по сравнению с исходным уровнем. Другим подходом, но с той же конечной целью, является блокирование определенных генов растения, что приводит к перераспределению питательных веществ между различными частями растения. Урожайность значительно возрастает при преимущественном накоплении крахмала или жирных кислот не в листьях растения, а, например, в клубнях картофеля или семенах рапса.

Биотехнологические методы также позволяют повышать эффективность усвоения растениями необходимых им микроэлементов. Например, мексиканские ученые создали генетически модифицированные растения, корни которых секретируют в окружающую среду лимонную кислоту. В результате происходит небольшое подкисление почвы и переход содержащихся в ней минералов, в том числе кальция, фосфора и калия, в растворимую форму, что делает их доступными для растений.

Азот является важнейшим элементом, лимитирующим рост растений, и ученые, работающие в разных областях, шаг за шагом приближаются к разгадке секретов симбиотических отношений, позволяющих азотфиксирующим бактериям поглощать атмосферный азот и отдавать его растениям, предоставляющим им убежище в корневых клубеньках:

- генетики-ботаники из Венгрии и Англии идентифицировали растительный ген и соответствующий белок, позволяющий растениям вступать во взаимодействие с почвенными азотфиксирующими бактериями;

- генетики-микробиологи из университета Квинсленда (Австралия) идентифицировали бактериальный ген, стимулирующий формирование корневых клубеньков;

- в результате совместной работы молекулярных биологов Европейского Союза, США и Канады был полностью расшифрован геном одного из видов азотфиксирующих бактерий;

- ученые, занимающиеся химией белков, расшифровали точную структуру фермента, превращающего атмосферный азот в приемлемую для растений форму.

По данным статистики, 70% населения планеты сами занимаются выращиванием своего пропитания и, несмотря на неопровержимый успех «зеленой революции» 60-х, миллионы людей до сих пор страдают от голода и недоедания. Продолжающийся рост численности человечества, урбанизация, неэффективность системы распределения и высокая стоимость продуктов питания препятствуют распространению доступа к высоким урожаям, обеспечиваемым современными технологическими достижениями в сельском хозяйстве. Кроме того, выведенные традиционными методами культуры, которые обеспечили успешность «зеленой революции» 1960-х, предназначены для крупномасштабного культивирования и не подходят для мелких фермеров.

«Зеленая революция» прошла мимо большинства фермеров из развивающихся стран, так как их выращивание требует больших инвестиций: установки оросительных систем, покупки сельскохозяйственных машин, горючего, удобрений и пестицидов, что выходит далеко за пределы возможностей небольших фермерских хозяйств.

Сегодняшняя биологическая сельскохозяйственная революция не требует от крестьян ни больших капиталовложений, ни обширных знаний, так как ее технологические достижения внедряются непосредственно в семена сельскохозяйственных культур. Внедрение таких усовершенствованных культур должно способствовать развитию малого фермерства. В силу возможностей биотехнологического подхода улучшение культур с помощью генетической модификации совершенно не привязано к крупномасштабному культивированию, обеспечивающему возврат крупных финансовых инвестиций. Сорта риса или кукурузы, геном которых несет встроенные гены, улучшающие их урожайность и устойчивость, вполне могут выращиваться и в небольших фермерских хозяйствах.

Понимая то, насколько биотехнология способна улучшить здоровье популяции, экономику и условия жизни людей в развивающихся странах, многие университеты, исследовательские учреждения, правительственные органы и компании развитых стран разработали схемы внедрения различных биотехнологических разработок в развивающихся странах. Характер схем варьирует в зависимости от участвующих сторон и потребности в ресурсах. Например:

- Корнеллский университет (г. Итаке, штат Нью-Йорк) предоставил исследовательским учреждениям Бразилии, Таиланда и Венесуэлы трансгенную технологию для борьбы с вирусом кольцевой пятнистости папайи, а также обеспечил специалистам этих учреждений стажировку по трансгенным методикам;

- японское международное агентство по кооперации внедрило в индонезийском исследовательском учреждении систему для культивирования тканей с целью предоставить ученым возможности создания посадочного материала устойчивого к заболеваниям картофеля. Индонезийские специалисты также сотрудничают с учеными Мичиганского университета с целью создания устойчивых к насекомым сортов картофеля и батата (сладкого картофеля);

- австралийский Сельскохозяйственный исследовательский центр совместно с индонезийскими специалистами проводил исследования по изучению фиксации азота и созданию болезнеустойчивых сортов арахиса;

- австрийские Лаборатории Зайбердорфа сотрудничали с кенийским Институтом сельскохозяйственных исследований по разработке технологий мутагенеза и выведения новых сортов маниоки;

- компания Monsanto предоставила технологии по повышению вирусоустойчивости батата Кении, картофеля - Мексике и папайи - странам Юго-Восточной Азии, а Индии - методику синтеза провитамина А в семенах масличных культур;

- компания Pioneer Hi-Bred совместно с Египетским сельскохозяйственным исследовательским институтом генетической инженерии (AGERI) занималась поисками новых штаммов Bacillus thuringensis в почвах Египта. Pioneer также предоставил египетским специалистам возможность стажировки для освоения методов выявления штаммов Bt и трансгенных методик. Полученные в результате работы патенты принадлежат AGERI, лицензии на них получила компания Pioneer Hi-Bred;

- компания AstraZeneca провела стажировку специалистов Индонезийского центрального исследовательского института пищевых сельскохозяйственных культур по использованию методик создания устойчивых к насекомым сортов кукурузы;

- Малазийский исследовательский институт пальмового масла проводил совместную с компанией Unilever, а также университетами Англии, США и Голландии работу по созданию методов повышения питательной ценности пальмового масла, а также выявлению новых направлений его использования для производства смазочных материалов, горючего, источников витамина Е, естественного полиэстера и биоразрушаемого пластика.

В то время как передача методик является и, несомненно, будет оставаться важным механизмом внедрения достижений биотехнологии, многие развивающиеся страны сами предпринимают определенные шаги в этом направлении: начинают вкладывать ресурсы в строительство собственных структур для биотехнологических исследований и последующего внедрения полученных результатов. Лидеры этих стран осознают потенциал биотехнологии в обеспечении аграрной независимости, сохранении природных ресурсов, снижении цен на продукты питания и обеспечения стабильного дохода малых фермерских хозяйств. Более того, они понимают, что биотехнология может способствовать расширению существующих и созданию новых статей экспорта, что приведет к развитию многоотраслевой экономики и укреплению независимости.

Они также осознают, что большинство сельскохозяйственных проблем специфичны для конкретных условий и наиболее эффективно могут быть решены местными специалистами, знакомыми с особенностями вопроса, местными традициями и приемлемостью (или неприемлемостью) методик, разработанных для решения проблем промышленно развитых стран. Для продвижения своих государств вперед правительства развивающихся стран вкладывают человеческие и финансовые ресурсы в укрепление местных позиций сельскохозяйственной биотехнологии. Например:

- малазийское правительство создало специальный отдел, занимающийся продвижением биотехнологических исследований и разработок и открыло в Сараваке Центр биологического разнообразия, целью работы которого является контроль за рациональным использованием генетических ресурсов и создание обширной базы данных о биоресурсах;

- Тайвань создал дополнительный модуль технопарка Hsinchu, предназначенный исключительно для биотехнологических исследований. Входящие в состав парка фирмы будут иметь доступ к 850 миллионам долларов США из государственного исследовательского фонда и к 4 миллиардам долларов США из государственного и частного капиталов, а также к ряду служб поддержки, в том числе в сфере маркетинга и получения патентов;

- пакистанское Министерство науки и технологии подготовило биотехнологический план действий и финансировало трехлетнюю программу по развитию биотехнологических исследований и разработок;

- Национальный совет по науке и технологии Уганды открыл первую лабораторию сельскохозяйственной биотехнологии с целью создания устойчивых к заболеваниям сортов кофе и бананов;

- египетское правительство, уже давно поддерживающее сельскохозяйственную биотехнологию, издало рекомендации, поощряющие использование фермерами генетически модифицированных сортов с целью уменьшения использования пестицидов, снижения себестоимости продукции, повышения урожайности и доходности сельского хозяйства.

Размещено на Allbest.ru