Изучена возможность получения трансгенных растений, устойчивых к вирусам, за счет индукции у них белков общего ответа на инфекцию вирусами. В растения табака и люцерны интродуцирован ген интерферона человека. При инфицировании растений табака вирусом табачной мозаики и вирусом мозаики люцерны наблюдали задержку в развитии симптомов болезней у трансгенных растений.
Вероятно, наиболее рациональным типом генетически-инженерной устойчивости трансгенных растений к вирусам является трансформация, воздействующая на процесс репликации. Ингибируя процесс репликации, можно быть достаточно уверенным, что вирус не может накапливаться в количествах, достаточных для преодоления индуцированной устойчивости или мутировать в форму, способную преодолеть эту устойчивость.
Опубликованные данные показывают, что связанная с репликазой устойчивость может быть очень эффективной и действительно влиять на процесс репликации вирусов. Имеются сообщения, что эта устойчивость может распространяться на достаточно широкий спектр вирусов при использовании модифицированного гена репликазы.
Устойчивость к вирусам может быть индуцирована также внесением генов, кодирующих рибозимы, способные расщеплять РНК вирусов, в обычной или антисмысловой ориентации.
Активизация защитных систем организма и устойчивость к абиотическим факторам
Наряду с селекцией на устойчивость к болезням и вредителям, в странах Западной Европы и США ведется работа по повышению потенциальной урожайности видов растений, обладающих генетически детерминированной устойчивостью к засухе, кислым почвам, пониженным температурам и т.д. Именно благодаря этому стало возможным значительное увеличение площади сорго, овса, рапса, клюквы, черники и других экологически устойчивых культур. Так, в Италии, Франции и США все большую роль в зерновом балансе играет сорго, в Канаде культура рапса стала основным источником кормового белка, в Англии и Франции посевы овса включены в севообороты не только в качестве основной, но и промежуточной культуры, выполняющей фитосанитарную роль.
Известны примеры «формирующей» роли растений для агроэкологической, в том числе и биоценотической, среды. Так, сорта пшеницы и ячменя, выведенные на кислых почвах в западных районах США, лучше переносят ионную токсичность алюминия, чем созданные в штате Индиана, где такой эдафический стресс отсутствует. Селекция рапса на засухоустойчивость была более результативной при отборах в засушливых зонах.
Примечательно, что гибриды и сорта, дающие самый высокий урожай при повышенных дозах азота, у ряда культур оказываются и самыми высокоурожайными на почвах с низким уровнем его содержания.
Теоретически считается, что создать сорт, способный давать наибольшую урожайность во многих зонах, невозможно, но работы выдающихся селекционеров показали, что это не так. Наиболее известны сорта пшеницы Безостая 1, Мироновская 808 и др. В настоящее время, наряду с географически универсальными сортами, все большее значение приобретают агроэкологически и технологически специализированные, в плане их размещения и использования, сорта и гибриды.
«Агроэкологическая адресовка» сортов и гибридов — веление времени. Об этом свидетельствуют многочисленные данные о необходимости «избегания» действия абиотических и биотических стрессоров и, наоборот, важности «совпадения» периодов максимальной фотосинтетической производительности агроценозов с наиболее благоприятными для данной культуры и даже сорта условиями внешней среды, освещенности, температуры, влагообеспеченности и тд. Известно, например, что хотя позднеспелые сорта обычно превосходят по урожайности скороспелые, использование последних позволяет повысить урожайность зерновых и ряда других культур в неблагоприятных условиях внешней среды именно за счет «избегания» летней засухи и поражения растений некоторыми болезнями. Для многих почвенно-климатических зон России и Украины повышение скороспелости культивируемых видов растений оказывается решающим условием устойчивого роста величины и качества урожая.
В этом направлении ключевой проблемой является то, что для создания нового сорта традиционно требуется 10-15 лет, тогда как время его «жизни», особенно в связи с глобальными изменениями климата, измеряется 5-7 годами, на Западе — еще меньше. В результате этого, с учетом повышенных требований к сортам и гибридам, селекционная работа все в большей степени утрачивает индивидуальный характер и становится творчеством больших коллективов, объединяющих специалистов самых разных профессий. Другими словами, в настоящее время селекция растений требует все возрастающих затрат трудовых и материальных ресурсов.
В обеспечении защиты растений от заболеваний, вызываемых грибами, бактериями и вирусами, задействован ряд механизмов. Задачи ДНК-технологии в этом направлении состоят в том, чтобы активизировать у растений эти механизмы. Рассмотрим, какие это механизмы и каким образом достигается их активизация.
Усиление сигнальных систем, участвующих в формировании иммунного ответа. Иммунные реакции включаются у растений (как и у других организмов) только в ответ на попытку проникновения возбудителя. Усиление передачи сигнала о нападении является одним из способов активизации защитных свойств растений.
Проведены опыты по повышению устойчивости табака к фитофторе. Растениям был встроен ген, кодирующий бетакриптогеин (белок размером в 98 аминокислот) под конститутивным промотором вируса 35S мозаики цветной капусты. Трансгенные растения показали повышенную устойчивость к ряду рас данного гриба.
Усиление синтеза веществ, токсичных для патогенов. Один из механизмов защиты от патогенов у растений — синтез веществ, обладающих токсичностью для патогенов. Здесь имеются несколько путей: постоянный синтез веществ (когда они постоянно содержатся в тканях растения), гиперчувствительный ответ (синтез идет только при контакте с возбудителем). При этом токсичные вещества могут обладать разной избирательностью — обеспечивать защиту от одного конкретного инфицирующего агента или от ряда патогенов. Сейчас широко развернуты работы по усилению иммунитета растений путем активизации синтеза защитных веществ методами ДНК-технологий.
Так, в томаты было встроено два гена стилбенесинтетазы винограда, фермента, катализирующего синтез фитоалексина (ресвератрола), повышающего устойчивость к фитофторозу, под собственным промотором. Трансгенные растения показали повышенную на 65% устойчивость к фитофторозу по сравнению с контролем (Thomzik, et al. 1997).
Устойчивость к абиотическим факторам. Приспособленность к местным условиям — почве, климату, погоде, рельефу, т.е. абиотическим факторам — обычно входит в главные требования к сорту. Уровень техногенной обеспеченности, требования рынка и пр. позволяет наилучшим образом «уловить» для конкретного сорта рентабельные различия между почвой и климатом, месторасположением участка относительно рынка и уровнем агротехники, что проявляется в показателях величины и качества урожая, сроков его поступления, а следовательно, рентабельности и конкурентоспособности производства той или иной культуры. Отсюда очевидна первостепенная роль агроэкологически адресованных сортов, способных с наибольшей эфо>ективностью использовать благоприятные местные условия внешней среды и одновременно противостоять местным расам и штаммам болезней, наиболее вредоносным фитофагам, сорнякам и тд. Особенно велика роль местных сортов в формировании генофонда растений, обладающих горизонтальной устойчивостью к патогенам, которая практически всегда агроэкологически адресна, а ее поддержание требует создания специальных фонов отбора в первичном семеноводстве. К числу важнейших «рентообразующих» признаков следует отнести также способность сортов и гибридов обеспечивать устойчивость агроценозов за счет уменьшения негативного действия абиотических и биотических стресс-факторов. Так, скороспелые сорта и гибриды позволяют не только избежать действия летних засух и суховеев в южных районах Украины и России, но и существенно сократить техногенные и трудовые затраты на уборку. В северных регионах главное — сократить время на доработку урожая, где в общей структуре затрат издержки на сушку зерна и другой продукции достигают 20% и более.