Для растений также опасны высокие температуры: так, при +40 оС гибнет большинство хозяйственно ценных культур. Н. Мурата и соавторы трансформировали арабидопсис конструкцией, содержащей ген хлориноксидазы (фермента синтеза глицинбетанина, регулирующего осмотический баланс в клетке) из Arthrobacter globiformis. Глицинбетанин способствует акклиматизации растений при различных стрессах, а также защищает фотосинтетические ферменты от повреждений при высокой температуре. Трансгенные растения оказались способными к прорастанию при температуре 55 оС, в то время как контрольные — нет. Они также были более устойчивы к засолению и холоду. Kasuga et al. обнаружили кластер генов, участвующих в контроле ответа клеток на дегидрацию (Dehydration Response Element) в участке rd29A. Этот блок включает многие гены, индуцируемые засухой и холодом. Создана генно-инженерная конструкция из гена DREB1A под промотором rd29A. Растения, трансформированные данной конструкцией, были значительно более устойчивы к стрессовым воздействиям, чем контрольные.
До того, чтобы менять климат, человечество еще не дошло. Однако путем смены генотипа растений уже можно повысить их устойчивость к ряду неблагоприятных абиотических факторов.
В общем, можно заключить, что в неблагоприятных почвенно-климатических и погодных условиях решающим фактором реализации высокой потенциальной урожайности оказывается возможность самих культивируемых растений противостоять абиотическим и биотическим стрессам. Стремление к созданию сортов и гибридов, способных давать высокие и даже рекордные урожаи только в благоприятные по погодным условиям годы или в «оазисных» условиях государственной системы сортоиспытания, не оправдано ни в научном, ни, тем более, в экономическом плане. Подобная односторонняя ориентация существенно упрощает селекционный процесс, однако усиливает зависимость всего сельского хозяйства от капризов погоды, предопределяет беспрецедентно высокую вариабельность по годам валовых сборов и качества зерна, овощей, фруктов, снижает эффективность использования техногенных средств интенсификации растениеводства.
Справедливость такой оценки подтверждает, например, тот факт, что в условиях России в экстремальные по погодным условиям годы вымерзают миллионы гектар озимых, а потери зерна из-за полегания посевов и поражения засухой составляют около 15 млн. т. Очевидно, что в России, где большинство важнейших сельскохозяйственных культур достигают гидротермических границ их естественного произрастания, важнейшим условием устойчивого роста их урожайности и семеноводства оказывается уменьшение чувствительности посевов к действию температурного и водного стрессов за счет как подбора соответствующих культур, так и их селекции. Между тем наблюдается общая тенденция к «сползанию» сортов и гибридов кукурузы, подсолнечника, сахарной свеклы, томата и других культур в сторону позднеспелости, что также усиливает зависимость растениеводства от капризов погоды. Как известно, Вавилов (1931) неоднократно подчеркивал, что «в борьбе с засухой, в особенности с нашими суховеями и горячими ветрами, которые обычно проявляются в разгар лета, в июле, большое значение имеет подбор скороспелых сортов».
Поэтому большое значение приобретают исследования соле- и засухоустойчивости. Почему некоторые растения неплохо себя чувствуют в таких условиях, а другие погибают? Существуют специфические метаболические пути, которые открываются в клетках растений, находящихся на солнце, так что их метаболизм отличается от метаболизма в затененных клетках. Уже есть представления о механизмах передачи сигналов в процессах, контролирующих устойчивость к засухе, и факторах, влияющих на эту передачу. Сегодня уже ясно, что, регулируя концентрацию ионов натрия в вакуолях, можно получить засухоустойчивые растения.
Немало растений при засухе полностью прекращают жизнедеятельность, но после дождя или полива возрождаются. Многие домашние и садовые растения удается оживить после высыхания. Обычно это можно проделать только раз, но в природе есть растения, которые «оживают» многократно.
Существует и другой подход к достижению засухоустойчивости. Это могло бы быть использование растений типа сорго, адаптированных к засухе. К сожалению, их продуктивность невысока. Но рис и кукуруза немногим отличаются от сорго, так как произошли от общего предка. Располагая геномами риса, пшеницы и сорго, а также образцами сорго из банков семян, можно было бы изучить их метаболизм и получить засухоустойчивые и продуктивные культуры.
Кенийские ученые вывели 10 сортов чая, устойчивых ко всем природным катаклизмам: засухе, морозу, заболеваниям и вредителям. Они могут расти в любой экологической зоне. При помощи генной инженерии ученые «клонировали» морозоустойчивые сорта. Кроме того, у новинок низкое содержание кофеина и высокое — атоцинина, вещества, благотворно влияющего на организм людей, страдающих от тяжелых заболеваний, включая рак.
ГМ растения с заданным химическим составом и структурой молекул (аминокислоты, белки, углеводы)
Основной закон рационального питания диктует необходимость соответствия уровней поступления и расхода энергии. Уменьшение энерготрат современного человека ведет к снижению объема потребляемой пищи. Рацион современного человека, достаточный по калорийности, не в состоянии покрыть потребность организма в витаминах и ряда других веществ. Например, качество и полезность растительных жиров зависит от сравнительного содержания пальмитиновой, стеариновой, олеиновой, линолевой и линоленовой кислот. Жиры, богатые олеиновой кислотой, стабильны к окислению, имеют лучший запах и более полезны для здоровья, тогда как жиры, богатые ненасыщенными жирными кислотами (линолевой и линоленовой), имеют менее качественные органолептические характеристики и менее стабильны. Большинство растительных жиров имеют более 50% ненасыщенных жирных кислот. Поэтому в последние годы начаты работы по получению трансгенных масличных растений с измененным содержанием жирных кислот.
Трансгенные растения сои, несущие ген, кодирующий антисмысловую омега-3-десатуразу (катализирующую синтез линоленовой кислоты из линолевой), характеризовались пониженным содержанием линоленовой кислоты. Трансгенные соя и рапс с геном омега-6-десэтуразы имеют сниженное содержание линолевой и повышенное содержание олеиновой кислот. Один из лидеров этого направления — компания «Calgene». В 1995 г. эта компания получила разрешение в США на выращивание и коммерческое использование трансгенных растений рапса с измененным жирнокислотным составом. Проводятся также исследования по созданию трансгенных растений с заданным аминокислотным составом. Так, в настоящее время, клонированы гены запасных белков сои, горохэ, фасоли, кукурузы, картофеля.
Человек и млекопитающие требуют наличия 8 незаменимых аминокислот в рационе. Однако ни один из широко используемых в пищу белков семян не содержит сбалансированного набора всех этих аминокислот. Белки семян злаков дефицитны по лизину и триптофану, тогда как в белках бобовых — дефицит серосодержащих аминокислот метионина и цистеина. Методами генетической инженерии возможно введение кодонов, кодирующих дефицитные незаменимые аминокислоты, а также другие гены, модифицирующие содержание дефицитных аминокислот.
Регулируя биосинтез аминокислот, можно изменять их содержание в белках. В растения турецкого гороха был введен ген треониндеаминазы (TD). Анализ свободных аминокислот показал повышение в несколько раз содержания треонина, метионина и лизина.
Содержание лизина и метионина у сои и кукурузы повышали путем введения генов новых запасных белков или модификацией генов, контролирующих основные этапы биосинтеза запасных белков.
При трансформации рапса генетической конструкцией, содержащей антисмысловой ген круциферина, у полученных трансгенных растений наблюдали повышение содержания лизина, метионина и цистеина.
До 80% фосфора в зерне злаков находится в форме фитиновой кислоты (фитата), которая откладывается при развитии зерна в виде фитина. При прорастании фитат освобождается под действием энзима фитазы. Однако в сухих семенах, используемых при питании человека или при скармливании не жвачным животным, происходит незначительная деградация фитина.
Для улучшения питательной ценности зерна пшеницы, кодирующий фитазу ген (phyA) Aspergillus niger был перенесен в пшеницу при микробомбардировке незрелых зародышей. Для направления транспорта чужеродного протеина в полость эндоплазматического ретикулума к 5-концу гена phyA была пришита последовательность из 72 пар оснований, кодирующая сигнальную последовательность амилазы ячменя. Используя селекцию по bar гену, который находился под промотором убиквитина кукурузы, были получены трансгенные линии пшеницы.
