T Направления использования сортов генно- инженерных растений

Рост посевных площадей, занятых в мире под трансгенными культурами (

Страны, в которых выращивают трансгенные культуры (2012 г, США – 69,5 млн га Бразилия – 36,6 Аргентина – 23,9 Канада – 11,6 Индия – 10,8 Китай – 4,0 Парагвай – 3,4 ЮАР – 2,9 Пакистан – 2,8 Уругвай – 1,4 Боливия – 1,0 Филиппины Австралия Буркина Фасо Мьянма Мексика Испания Чили Колумбия Гондурас Судан Португалия Чехия Куба Египет Коста Рика Румыния Словакия

Сельскохозяйственные культуры, трансгенные сорта которых допущены к использованию: СояСоя Кукуруза Кукуруза Рапс Рапс Хлопчатник Хлопчатник Томаты Томаты Картофель Картофель Рис Рис Сахарная свекла Сахарная свекла Лен Лен Турнепс Турнепс Кабачки Дыни Табак Цикорий Папайя Гвоздика Пшеница Люцерна Полевица Слива

Основные «трансгенные» признаки: 1. Толерантность к гербицидам 2. Устойчивость к насекомым 3. Устойчивость к вирусам 4. Устойчивость к засухе 5. Улучшенные качественные характеристики: - улучшенный состав жирных кислот растительного масла (соевого, рапсового); - улучшенный состав жирных кислот растительного масла (соевого, рапсового); - пониженное содержание никотина в табаке; - пониженное содержание никотина в табаке; - безамилозный картофельный крахмал; - безамилозный картофельный крахмал; - удлиненные сроки созревания/хранения плодов. - удлиненные сроки созревания/хранения плодов. 6. Система получения гетерозисных гибридов на основе мужской стерильности/восстановления фертильности

Площади, занятые под основными трансгенными культурами, 2010 г. ( Соя: 73,3 млн га – 50% площадей под ГМ- культурамиСоя: 73,3 млн га – 50% площадей под ГМ- культурами Кукуруза: 46,8 млн га – 31% площадей Кукуруза: 46,8 млн га – 31% площадей Хлопчатник: 21 млн га – 14% площадей Хлопчатник: 21 млн га – 14% площадей Рапс: 7 млн га – 5% площадей Рапс: 7 млн га – 5% площадей

Основные трансгенные признаки Толерантность к гербицидам – 89,3 млн га (61%) Устойчивость к насекомым-вредителям – 26,3 млн га (17 %) Комбинация признаков – 32,3 млн га (22%)

ГМО, толерантные к гербицидам Т олерантность к гербицидам обусловлена, как правило, мутацией одного определенного гена. Известно два основных механизма устойчивости: «Мутация мишени» Выработка ферментов, способных дезактивировать гербицид

ГМО, толерантные к гербицидам («мутация мишени») Толерантность к глифосату (Раундапу) «Мишень» - фермент 5-енолпирувил-шикимат-3-фосфат синтаза (EPSPS), который играет важную роль в синтезе ароматических аминокислот (тирозина, фенилаланина и триптофана). Трансгены: cp4 (модифицированный epsps) от Agrobacterium aro A от бактерий рода Aerobacter smI от Salmonella Толерантность к сульфонилмочевинным гербицидам (сульфонилмочевина, имдозолинон, триазопиримидины, пиримидилоксобензоаты) «Мишень» – фермент ацетолактатсинтаза, вовлеченный в биосинтез разветвленных незаменимых аминокислот (валин, лейцин, изолейцин) Трансгены: модифицированные гены als ацетолактат синтазы растений (кукурузы, арабидопсиса, табака и др.)

ГМО, толерантные к гербицидам (дезактивация гербицида) Толерантность к глюфосинату аммония (фосфинотрицину) (коммерческие препараты: Basta, Liberty, Finale) Мишень - фермент глютамин синтаза катализирует включение аммония в глютамин Трансгены: bar от Streptomices hygroscopicus pat от Streptomices viridichromogenes, которые кодируют синтез фермента фосфинотрицин ацетилтрансферазы Толерантность к оксиниловым гербицидам (бромоксинил и иоксинил) Трансгены: ген нитрилазы от Klebsiella pneumoniae var. ozanae

ГМО, толерантные к гербицидам

Устойчивость к насекомым-вредителям В основе образование Bt-токсина (синонимы: Bt- протеин, кристаллический протеин, дельта- эндотоксин), характерного для почвенных бактерий – Bacillus thuringiensis. Биопрепараты на основе Bt-протеина: Битоксибациллин, Лепидоцид, Колептерин, Бацитурин, Дендролин и др. Трансгены: cry IA, cry Iab, cry 9C, cry IF от B. thuringiensis v. kurstaki Cry 3A, cry 34Ab1, cry 35Ab1, cry 3Bb1 от B. thuringiensis v. tenebrionis и др.

Устойчивость к насекомым-вредителям

ГМО, устойчивые к вирусам В основе перенос в растения гена белка оболочки вируса (сoat protein -СР). Аналогичный и даже иногда лучший результат достигаются при использовании не CP трансгенов, а генов, кодирующих другие протеины вирусов (гены ферментов репликазы, РНКазы и др.). Культуры: Папайя, устойчивая к вирусу пятнистости, две формы цуккини, устойчивые к нескольким вирусам, и сорта картофеля с комплексной устойчивостью к колорадскому жуку (Bt-ген) и к одному из вирусов картофеля: игрек вирусу (PVY) или вирусу скручивания листьев (PLRV), а также вирусоустойчивая слива

Создание ГМО, устойчивых к болезням и вредителям За счет инсерции генов, обеспечивающих стимуляцию естественного (неспецифического) иммунитета Гены: ферментов амилаз, хитиназ, полифенолоксидаз, пероксидаз, а также фитоалексинов и лизозимов, лектинов и др. За счет переноса в геном растений генов устойчивости к болезням от диких видов. Получены ГМ-растения картофеля, устойчивые к самому опасному заболеванию этой культуры – фитофторозу, благодаря переносу к неустойчивым сортам генов устойчивости от диких видов картофеля Solanum bulbocastanum, S. verrucosum и др.

ГМО, устойчивые к засухе Повышенная устойчивость к засухе достигается благодаря инсерции гена csp протеина холодового шока Bacillus subtilis. Этот протеин является РНК-шапероном, который обеспечивает повышенную устойчивостью бактерий и растений к абиотическим стрессам, минимизируя нарушения укладки РНК (ее вторичной структуры) при воздействии стресса. В результате клетки сохраняют функциональную активность в стрессовых условиях Идет работа над выделением, клонированием и переносом в растения трансгенов, кодирующих образование различных осмопротекторов (ионов, протеинов, аминокислот, сахаров, полиаминов), генов, регулирующих содержание ненасыщенных жирных кислот в мембранах клеток и т.д.

ГМО с улучшенными качественными характеристиками (состав жирных кислот в масле) МаслоНенасыщенные жирные кислоты Олеиновая (1) % Линолевая (2) % Линоленовая (3) % Подсолнечное Соевое Кедровое РапсовоеВ основноммало Оливковое Льняное

ГМО с улучшенными качественными характеристиками (состав жирных кислот в масле) Рапс с модифицированным содержанием жирных кислот в семенах, особенно высокие уровни лаурата (25-40%) и миристиновой кислоты благодаря инсерции гена тиоэстеразы калифорнийского лаврового дерева Соя с модификацированным содержанием жирных кислот в семенах: особенно высокая экспрессия олеиновой кислоты (повышение с 23 до 80%) благодаря инсерции дополнительной копии гена десатуразы сои (из-за снижения уровня полиненасыщенных линолевой и линоленовой кислот)

ГМО с улучшенными качественными характеристиками Картофель с улучшенным составом крахмала: повышенное содержание ветвистых форм (амилопектина) и снижение уровня неветвистых форм (амилозы) благодаря инсерции дополнительной копии гена амилозы картофеля (в антисмысловой ориентации) Табак с пониженным уровнем никотина благодаря инсерции дополнительной копии гена фосфорибозилтрансферазы табака (в антисмысловой ориентации)

ГМО с улучшенными качественными характеристиками Кукуруза с улучшенными кормовыми характеристиками : повышенное содержание аминокислоты лизина в белке зерна благодаря инсерции гена cordapA дигидродипиколинат синтазы от Corynabacterium glutamicum Кукуруза для производства биотоплива с геном термостабильной альфа-амилазы от Thermococcales spp

ГМО с улучшенными качественными характеристиками Швейцарским ученым удалось перенести в растения риса генетическую конструкцию, содержащую сразу три гена от разных организмов, необходимых для биосинтеза каротина (провитамина А): фитоендесатуразы и ликопин β-циклазы от нарцисса и ген каротиндесатуразы от бактерий. В результате растения риса стали способными синтезировать каротин, концентрация которого в зерне достигала 1,6-2 микрограмм на грамм сырой массы.

ГМО с улучшенными качественными характеристиками Швейцарским ученым удалось перенести в растения риса генетическую конструкцию, содержащую сразу три гена от разных организмов, необходимых для биосинтеза каротина (провитамина А): фитоендесатуразы и ликопин β-циклазы от нарцисса и ген каротиндесатуразы от бактерий. В результате растения риса стали способными синтезировать каротин, концентрация которого в зерне достигала 1,6-2 микрограмм на грамм сырой массы.

ГМО с удлиненными сроками созревания Томаты FLAVRSAVR с удлиненным периодом хранения плодов благодаря инсерции дополнительной копии гена полигалактуроназы томатов (в антисмысловой ориентации) Томаты с удлиненным периодом созревания плодов благодаря инсерции генов: фермента S-аденозилметионин гидролазы от бактериофага T3 E.coli, деаминазы 1-амино- циклопропан-1-карбоновой кислоты от Pseudomonas chlororaphis, дополнительной копии гена томатов синтазы 1-амино-циклопропан-1-карбоновой кислоты, что приводит к снижению аккумуляции растительного гормона этилена

ГМО с системой мужской стерильности- восстановления фертильности для получения гетерозисных гибридов Для создания мужски стерильных трансгенных линий растений было предложено использовать ген barnase от Bacillus amylоliquefaciens, который кодирует образование фермента РНКазы, участвующего в расщеплении молекул РНК. Благодаря тканеспецифическому промотору РТА29 от табака этот фермент образуется у трансгенного растения только в одном месте (пыльнике) и только в одно время (во время цветения) Для восстановления фертильности у гибридов F1 при их получении в качестве опылителя используют линии, несущие трансген barstar от Bacillus amylоliquefaciens. Этот ген кодирует образование фермента-ингибитора РНКаз, благодаря чему у гибридов восстанавливается фертильность пыльцы. Рапс, кукуруза, цикорий

Гвоздика с модификацией окраски цветка (фиолетовый/розовато- лиловый) благодаря инсерции двух генов биосинтеза антоциана от Petunia hybrida

Перспективные направления исследований по созданию ГМО Признаки, косвенно связанные с урожайностью и качеством продукции растений: устойчивость к болезням; устойчивость к вредителям; толерантность к гербицидам. Признаки продуктивности и качества продукции растений: урожайность; качественные характеристики (содержание белка и отдельных аминокислот, содержание масла и отдельных жирных кислот, содержание и качественные характеристики крахмала, других углеводов, содержание витаминов и других физиологически активных веществ, минеральных веществ, аллергенов, токсинов и пр.); синтез веществ специального назначения, прежде всего, протеинов, предназначенных для использования в фармакопее.

Перспективные направления исследований по созданию ГМО Агрономические характеристики растений: морфология растения и отдельных органов (карликовость, апикальное доминирование или кустистость, характер корнеобразования; размер и цвет зерен, плодов, измененная форма листа и пр.); мужская стерильность / восстановление фертильности; холодостойкость; жаростойкость; устойчивость к водным стрессам; устойчивость к засолению; скорость развития растений, скороспелость; удлиненный период созревания плодов;

Создание ГМО – биореакторов для производства рекомбинантных протеинов, например, для фармакопеи (интерферон альфа, интерлейкином 10, токоферол и др.) Создание ГМО для производства съедобных вакцин (бананы с антигенами вируса папилломы) ГМО для очистки территорий от загрязнения нефтью и тяжелыми металлами Терминальные технологии (производство стерильных семян)