Сельскохозяйственная биотехнология: стратегии национальной конкурентоспособности

Сила биотехнологии
Инструменты биотехнологии предлагают как вызов, так и колоссальные возможности. Они не меняют цель сельского хозяйства — эффективно производить необходимые продукты питания, волокна, древесину и химические корма. Вместо этого они предлагают новые методы манипулирования генами растений, животных и микроорганизмов. Инструменты биотехнологии дополняют, а не заменяют традиционные методы, используемые для повышения производительности сельского хозяйства, и строятся на основе понимания, полученного из традиционных исследований в области биологии, генетики, физиологии и биохимии.
Биотехнология открыла захватывающий рубеж в сельском хозяйстве. Новые методы, предоставляемые биотехнологией, относительно быстры, высокоспецифичны и ресурсоэффективны. Большим преимуществом является то, что общий набор методов — например, идентификация генов и клонирование — широко применимы. Мы не только можем улучшить прошлые традиционные методы с помощью более точных современных методов, но и можем исследовать новые области. Мы можем искать ответы на вопросы, которые всего несколько лет назад мы и не думали задавать.
Сила биотехнологии больше не является фантастикой. За последние несколько лет мы начали преобразовывать идеи в практические приложения. Например, ученые научились генетически изменять определенные культуры, чтобы повысить их устойчивость к определенным гербицидам. Биотехнология использовалась для проектирования и разработки более безопасных и эффективных вакцин против вирусных и бактериальных заболеваний, таких как псевдобешенство, кишечный колибактериоз (понос) и ящур.
Но мы едва коснулись поверхности потенциальных преимуществ. Многое еще предстоит узнать, и для дальнейшего прогресса потребуются серьезные усилия таланта и средства.
Здесь мы кратко рассмотрим основные области применения биотехнологии в сельском хозяйстве: это прогресс и потенциал генной инженерии и других новых биотехнологий в растениеводстве и животноводстве, а также в биопереработке, с традиционными подходами и обсуждением примеров прогресса в использовании биотехнологии и освещением будущих возможностей.

Использование переноса генов для улучшения сельского хозяйства
На протяжении всей истории сельского хозяйства люди использовали естественный процесс генетического отбора посредством селекции, который создает вариации биологических признаков. Этот факт лежит в основе всех попыток улучшить сельскохозяйственные виды, будь то посредством традиционной селекции или с помощью методов молекулярной биологии.           В обоих случаях люди манипулируют естественным процессом для получения разновидностей организмов, которые демонстрируют желаемые характеристики или черты, такие как устойчивые к болезням культуры или пищевые животные с более высокой пропорцией мышц к жиру.
Основные различия между традиционным разведением и молекулярно-биологическими методами переноса генов заключаются не в целях или процессах, а больше в скорости, точности, надежности и масштабе. Когда традиционные селекционеры скрещивают два растения или животных, размножающихся половым путем, смешиваются десятки тысяч генов. Каждый родитель посредством слияния спермы и яйцеклетки передает потомству половину своего генома (весь репертуар генов организма), но состав этой половины различается в каждой родительской половой клетке и, следовательно, в каждом скрещивании. Необходимо много скрещиваний, прежде чем «правильная» случайная рекомбинация генов приведет к появлению потомства с желаемой комбинацией признаков.
Молекулярно-биологические методы смягчают некоторые из этих проблем, позволяя манипулировать процессом по одному гену за раз. Вместо того чтобы зависеть от рекомбинации большого количества генов, ученые могут вставлять отдельные гены для определенных признаков непосредственно в установленный геном. Они также могут контролировать способ, которым эти гены проявляют себя в новом сорте растений или животных. Короче говоря, сосредоточившись конкретно на желаемом признаке, молекулярный перенос генов может сократить время, необходимое для разработки новых сортов, и обеспечить большую точность. Его также можно использовать для обмена генами между организмами, которые не могут быть скрещены половым путем.
Методы переноса генов являются ключом ко многим приложениям биотехнологии. Суть генной инженерии заключается в способности идентифицировать определенный ген — тот, который кодирует желаемый признак в организме — изолировать ген, изучить его функцию и регуляцию, модифицировать ген и повторно ввести его в естественного хозяина или другой организм. Эти методы являются инструментами, а не самоцелью. Их можно использовать для понимания природы и функций генов, раскрытия секретов устойчивости к болезням, регулирования роста и развития или управления коммуникацией между клетками и организмами.

Применение новых технологий на практике
Уже есть успехи, демонстрирующие, как растения можно генетически модифицировать для пользы сельского хозяйства. Устойчивость к гербицидам переносится для расширения возможностей борьбы с сорняками. Вскоре состав запасных белков, масел и крахмалов в растениях может быть изменен для повышения их ценности.
Один из генов растений, который был выделен, клонирован и перенесен, относится к богатому серой белку, обнаруженному в бразильском орехе Berthalletia excelsa. Этот белок содержит большое количество двух важных для питания серосодержащих аминокислот: метионина и цистеина. Это те самые питательные вещества, которых не хватает бобовым, таким как соя. Если бы ген богатого серой белка был перенесен в сою, он мог бы усилить роль этого бобового как источника белка во всем мире.
Очистив белок бразильского ореха и определив порядок и вид аминокислот в белке, ученые смогли синтезировать искусственный сегмент ДНК, кодирующий часть этого белка. Этот «зонд» ДНК использовался для поиска и извлечения естественного гена из бразильского ореха. Затем исследователи перенесли ген в растения томата и табака, которые были выбраны потому, что их легче модифицировать, чем соевые бобы. Исследователи также перенесли ген в клетки дрожжей. Первые результаты показывают, что генетически модифицированные дрожжи действительно производят богатый серой белок.
Аналогичная работа проводится для улучшения масличных культур. Масличные культуры, произведенные в Соединенных Штатах в 1984 году, стоили 11,8 млрд долларов. В зависимости от своего химического состава масла и воски из растений используются в кормах, продуктах питания и промышленных продуктах, таких как краски и пластмассы. Химические свойства и, следовательно, применение растительных масел различаются в зависимости от длины цепей жирных кислот, составляющих масло, и степени их насыщения. Многие ферменты, контролирующие биохимические пути, которые регулируют длину молекулярной цепи и степень насыщения, были хорошо изучены, и этот запас знаний теперь позволяет генетически модифицировать тип масла, производимого культурой. Хотя традиционные методы селекции преуспели в изменении состава масла некоторых культур, генная инженерия открывает более широкий спектр возможностей.
Ученые сделали еще один важный шаг в использовании генной инженерии для улучшения производства сельскохозяйственных культур: они впервые спроектировали растения, устойчивые к мощным гербицидам. Одним из примеров является глифосат (торговое название: «Раундап»), распространенный эффективный и безопасный для окружающей среды гербицид. Однако глифосат без разбора убивает как сельскохозяйственные культуры, так и сорняки. Таким образом, его обычно необходимо использовать до того, как прорастут сельскохозяйственные культуры. Тем не менее, спроектировав культуры, устойчивые к глифосату, ученые надеются расширить спектр применения гербицида.
Ученые выделили ген устойчивости к глифосату и успешно перенесли его в хлопок, тополя, соевые бобы, табак и томаты. Ген был получен из бактерии Salmonella typhimurium. Подобно другим достижениям в области биотехнологии, этот успех зависел от обширных предшествующих фундаментальных исследований биохимических путей в бактериях и растениях, а также сложных методов клонирования и переноса генов. Полевые испытания и коммерциализация устойчивых к глифосату культур должны последовать в ближайшее время. Анализ расходов производителей томатов в Калифорнии предсказывает, что фермеры могли бы сэкономить до 100 долларов на акр на расходах по борьбе с сорняками, если бы они использовали глифосат вместо текущих гербицидов, с сопутствующим сокращением рабочей силы, оборудования и ущерба окружающей среде. Этот прогресс также даст фермерам улучшенную гибкость, урожайность, качество и спектр контроля сорняков.

Источник: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK217989/