Искусственный мутагенез, генная инженерия и редактирование генома в селекции

Отбор может выбрать лучших только из того, что есть. А если нужного признака нет ни у одного сорта и ни у одного дикого родича? Тогда селекционер создаёт новую изменчивость сам: облучает семена, обрабатывает их химическими мутагенами, переносит гены из других организмов, точно редактирует нужный ген. Разберём искусственный мутагенез — радиационный и химический, — методы рекомбинантных ДНК и редактирование генома как источники исходного материала для селекции.

• 1. Зачем селекционеру новая изменчивость
• 2. Искусственный мутагенез: история открытия
• 3. Какие бывают мутагены
• 4. Радиационный мутагенез
• 5. Химический мутагенез
• 6. Как ведут мутационную селекцию
• 7. Сорта, созданные мутагенезом
• 8. Мутагенез в селекции микроорганизмов
• 9. Генная инженерия: рекомбинантные ДНК в селекции
• 10. Трансгенные культуры: что создано
• 11. Безопасность ГМО и регулирование
• 12. Редактирование генома
• 13. Отредактированные растения и животные
• 14. Этические вопросы
• 15. Сравнение методов получения исходного материала
• 16. Хронология
• 17. Итог: что важно знать
• 18. Частые ошибки
• 19. Интересные факты
• 20. Частые вопросы
• 21. ЕГЭ
• 22. Для олимпиад
• 23. Задания с разбором
• Литература

Начнём с главного вопроса: откуда вообще берётся материал, с которым работает селекционер. Все методы, разобранные в предыдущих статьях серии, опирались на уже существующую изменчивость — различия между сортами, породами, местными формами и дикими родичами. Отбор выбирал лучшее из имеющегося, гибридизация соединяла достоинства разных форм. Но запас природной изменчивости не бесконечен, и в XX в. селекционеры научились создавать её сами.

1. Зачем селекционеру новая изменчивость

Любой метод селекции начинается с исходного материала — набора форм, среди которых ищут нужные признаки. Отбор сам по себе ничего не создаёт: он лишь сохраняет одни генотипы и отбрасывает другие. Комбинационная селекция создаёт новые сочетания уже существующих аллелей. Отдалённая гибридизация привлекает аллели других видов. Но бывает, что нужного аллеля нет нигде: например, ни у одного сорта подсолнечника не было масла с очень высоким содержанием олеиновой кислоты, а ни у одного растения — устойчивости к гербициду. Тогда нужны методы, создающие новые аллели:

Все три метода дают лишь исходный материал. Мутант, трансгенное или отредактированное растение — ещё не сорт. Дальше идёт обычная селекционная работа: скрещивания с лучшими сортами, отбор, испытания. Поэтому в кодификаторе эти методы названы способами «получения исходного материала для селекции».

2. Искусственный мутагенез: история открытия

Мутагенез — процесс возникновения мутаций. В природе мутации возникают сами (спонтанный мутагенез) из-за ошибок репликации, повреждений ДНК естественной радиацией и продуктами обмена веществ. Но спонтанные мутации редки: в отдельном гене — примерно одна на сотни тысяч или миллионы гамет. Искусственный (индуцированный) мутагенез — получение мутаций с помощью мутагенов, увеличивающих их частоту в десятки и сотни раз.

Первыми действие излучения на наследственность показали советские микробиологи Георгий Адамович Надсон и Григорий Семёнович Филиппов: в 1925 г. они описали наследуемые изменения у дрожжей и низших грибов, облучённых радием и рентгеновскими лучами. В 1927 г. американский генетик Герман Мёллер опубликовал количественные опыты на дрозофиле: рентгеновское облучение увеличивало частоту летальных мутаций, сцепленных с X-хромосомой, примерно в 150 раз [1]. За это открытие Мёллер в 1946 г. получил Нобелевскую премию. В 1928 г. Льюис Стадлер получил мутации у ячменя и кукурузы под действием рентгеновских лучей и радия [2] — и тем самым показал, что метод применим к культурным растениям.

Химический мутагенез открыли во время Второй мировой войны. В Великобритании Шарлотта Ауэрбах обнаружила, что иприт (горчичный газ) вызывает мутации у дрозофилы; работы были засекречены и опубликованы после войны. Независимо, в 1946 г., советский генетик Иосиф Абрамович Рапопорт открыл сильное мутагенное действие формальдегида, этиленимина, диазометана и других соединений. Рапопорт нашёл так называемые супермутагены — нитрозоалкилмочевины и др., — которые дают мутации почти у каждого обработанного организма. После августовской сессии ВАСХНИЛ 1948 г. он был изгнан из науки за отказ отречься от генетики, а вернувшись в 1957 г., создал в Институте химической физики центр химического мутагенеза. С помощью его мутагенов в СССР было получено несколько сотен сортов растений и штаммов микроорганизмов. По известному рассказу, в 1962 г. обсуждалось выдвижение Рапопорта на Нобелевскую премию вместе с Ауэрбах, но для поддержки от него потребовали вступить в КПСС; он отказался, и выдвижение не состоялось.

3. Какие бывают мутагены

Мутагены принято делить на три группы.

Мутагены действуют на любой организм — и на человека. Поэтому многие химические мутагены одновременно являются канцерогенами: мутации в клетках тела могут привести к злокачественному росту. Это ещё одна причина, по которой работа с мутагенами требует строгих мер безопасности, а в пищевой промышленности и медицине мутагенные вещества запрещены. Подробнее об этом — в статье блога о мутагенах и причинах мутаций.

Чем мутагенез отличается от других источников изменчивости

Изменчивость бывает наследственной (генотипической) и ненаследственной (модификационной). Мутагенез создаёт мутационную изменчивость — новые аллели и перестройки. Скрещивания создают комбинативную изменчивость — новые сочетания уже существующих аллелей. Удобрения, полив, климат меняют фенотип, но не наследуются — это модификации, и селекционного значения они не имеют (хотя сильно мешают отбору, маскируя генотип). Поэтому мутагенез и гибридизация — два независимых и дополняющих друг друга источника материала для отбора.

4. Радиационный мутагенез

Для радиационного мутагенеза используют ионизирующие излучения — рентгеновские и гамма-лучи, потоки нейтронов, ускоренные ионы — и, реже, ультрафиолет (он слабо проникает в ткани и применяется в основном для микроорганизмов и пыльцы).

Как излучение повреждает ДНК

• Прямое действие: частица или квант излучения разрывает химические связи в молекуле ДНК — возникают одно- и двунитевые разрывы.
• Косвенное действие: излучение расщепляет молекулы воды в клетке, образуя активные радикалы (гидроксил-радикал и др.), которые повреждают азотистые основания и сахарофосфатный остов ДНК.
• Ультрафиолет вызывает «сшивки» соседних пиримидиновых оснований одной цепи (тиминовые димеры).

Клетка пытается восстановить повреждения. Двунитевые разрывы соединяются системой негомологичного соединения концов, которая часто ошибается: теряются или добавляются несколько нуклеотидов, а иногда концы разных хромосом сшиваются «не так». Поэтому ионизирующие излучения дают не только генные мутации (чаще небольшие делеции), но и много хромосомных перестроек — делеций, инверсий, транслокаций.

Доза и выбор режима

Чем больше доза, тем больше мутаций — но и тем больше гибнет облучённых семян и растений, а выжившие несут много вредных изменений. Селекционеры подбирают дозу, при которой выживает около половины растений или их рост заметно угнетается (по ориентиру LD₅₀ — дозе, вызывающей гибель 50 %). Для сухих семян злаков это обычно десятки — сотни грей (Гр), то есть в тысячи раз больше дозы, смертельной для человека: в сухом семени мало воды и клетки находятся в покое. Облучают также пыльцу, черенки, почки, клубни, культуры клеток.

Гамма-сады и космос

С 1950-х гг. в разных странах строили гамма-поля («гамма-сады») — участки, в центре которых находится источник гамма-излучения (обычно кобальт-60), а растения высажены кругами на разном расстоянии от него и получают разную дозу в течение всего сезона. Крупнейший такой сад, созданный в 1960 г. в Японии, дал ряд сортов, например мутант японской груши, устойчивый к чёрной пятнистости — опасной грибной болезни. Семена облучали и на космических кораблях и спутниках: в Китае так получено много сортов риса, пшеницы, овощей. Мутации в космосе вызывают те же излучения (космические лучи), что и в лаборатории; никаких особых «космических» механизмов у них нет.

Ионные пучки

Современный метод — облучение ускоренными тяжёлыми ионами (углерода, аргона и др.). Ионы оставляют плотный след повреждений, и мутации чаще оказываются крупными делециями, выключающими ген целиком. Метод особенно популярен в Японии для создания новых сортов цветов: так получены, например, новые окраски и формы цветков хризантем, гвоздик, петуний.

5. Химический мутагенез

Химические мутагены — вещества, взаимодействующие с ДНК и вызывающие ошибки при её репликации. В отличие от ионизирующих излучений, они чаще вызывают точечные замены нуклеотидов и реже — крупные перестройки хромосом. Это ценно для селекции: точечная замена может изменить свойство белка, не разрушив ген целиком.

Семена замачивают в растворе мутагена определённой концентрации на несколько часов, затем тщательно отмывают и высевают. Химические мутагены дешевле радиационных установок, но многие из них ядовиты и канцерогенны: работают с ними в вытяжных шкафах, соблюдая строгие меры безопасности.

Подробнее о мутагенах, их видах и механизмах действия — в отдельной статье блога о мутагенах и причинах мутаций.

Колхицин — тоже мутаген?

Колхицин относят к мутагенам, вызывающим геномные мутации: он не изменяет последовательность ДНК, а нарушает расхождение хромосом, удваивая их число. Его использование для получения полиплоидов разобрано в предыдущей статье серии — об отдалённой гибридизации и полиплоидии. В селекции эти два направления — получение генных мутаций и получение полиплоидов — часто объединяют под общим названием «экспериментальный мутагенез».

6. Как ведут мутационную селекцию

Получить мутацию легко — трудно найти среди тысяч растений ту, которая полезна. Схема работы с семенами самоопыляющегося растения (пшеницы, ячменя, риса):

1. Обработка. Тысячи семян облучают или обрабатывают химическим мутагеном. Это поколение называют M₀, а растения, выросшие из обработанных семян, — M₁.
2. Поколение M₁. Растения часто угнетены, частично стерильны. Мутации у них есть, но почти все — в гетерозиготном состоянии и только в части клеток: зародыш семени состоит из нескольких клеток, и каждая мутировала независимо, поэтому растение M₁ — химера. Большинство мутаций рецессивны и в M₁ не видны. Отбор в M₁ почти не ведут, просто собирают семена.
3. Поколение M₂. После самоопыления гетерозиготные мутации расщепляются, и 1/4 потомков становится гомозиготными: рецессивные мутантные признаки проявляются. Именно в M₂ ведут главный отбор: просматривают десятки и сотни тысяч растений, ищут низкорослые, раннеспелые, устойчивые к болезням, с изменённым составом зерна.
4. M₃ и дальше. Проверяют, наследуется ли признак и не вызван ли он случайными условиями, оценивают другие свойства мутанта.
5. Скрещивание с хорошими сортами. Мутант почти всегда несёт помимо полезной мутации множество вредных. Поэтому его скрещивают с лучшими сортами и беккроссами «очищают» генетический фон, оставляя полезную мутацию.

У растений, размножаемых вегетативно (картофель, плодовые, декоративные), мутации в почке дают соматические мутации — «спорты»: ветвь с изменённой окраской плода или цветка. Такой побег отделяют и размножают прививкой или черенками. Многие известные сорта яблони, грейпфрута, роз возникли из спортов — естественных или вызванных облучением.

Как ищут нужные мутации быстрее

Искать полезную мутацию «на глаз» среди сотен тысяч растений долго. Поэтому придумали способы отбора:

• Отбор в жёстких условиях. Растения M₂ выращивают на засолённой почве, заражают возбудителем болезни или обрабатывают гербицидом: выживают только устойчивые мутанты.
• Химический анализ. Быстрые анализы масла, белка, крахмала зерна позволяют найти мутанты с изменённым составом.
• Поиск мутаций в нужном гене по ДНК (метод TILLING). Если известно, какой ген отвечает за признак, ДНК тысяч мутантных растений проверяют на мутации именно в этом гене. Так находят серию разных мутаций одного гена и выбирают лучшую.

Частота и характер мутаций

Подавляющее большинство индуцированных мутаций вредны или нейтральны: случайное изменение в хорошо работающем гене чаще портит его, чем улучшает. Полезные мутации обычно составляют лишь доли процента от всех найденных. Кроме того, многие «полезные» для человека мутации на самом деле выключают ген: например, мутация, делающая растение низкорослым, нарушает синтез гормона роста; мутация, повышающая содержание олеиновой кислоты, выключает фермент, превращающий её в линолевую. Растению в природе такие мутации невыгодны, а селекционеру нужны.

Соматические мутации и клеточная селекция

У растений есть возможность, которой нет у животных: из одной клетки можно вырастить целое растение. Это позволило перенести отбор с поля в лабораторию. Клетки или протопласты высаживают на питательную среду, обрабатывают мутагеном и добавляют в среду «отбирающий фактор»: соль, гербицид, токсин возбудителя болезни, аналог аминокислоты. Выживают лишь редкие устойчивые клетки, из них выращивают растения и проверяют, наследуется ли устойчивость. Такой подход называют клеточной селекцией. Так получены солеустойчивые формы риса и люцерны, устойчивые к гербицидам линии кукурузы и подсолнечника, формы картофеля, устойчивые к токсинам возбудителей.

Побочное явление культуры тканей — сомаклональная изменчивость: при длительном выращивании клеток в пробирке в них сами возникают мутации, перестройки хромосом, изменения плоидности. Иногда это помеха (сорт, размноженный в пробирке, «рассыпается»), а иногда — источник полезных форм: так получены, например, устойчивые к болезням клоны сахарного тростника и бананов.

7. Сорта, созданные мутагенезом

Мутационная селекция дала гораздо больше, чем принято думать. Международная база данных мутантных сортов, которую ведут ФАО и МАГАТЭ, к 2000 г. насчитывала более 2000 официально зарегистрированных сортов, полученных с помощью мутагенеза или с использованием мутантов в скрещиваниях [3], а сегодня — более 3000 сортов более 200 видов растений. Многие из них используются так давно, что потребители и не подозревают об их происхождении.

• Рис Калроуз 76 (США, 1976). Гамма-облучение калифорнийского сорта дало полукарликовый мутант — по тому же гену sd1, который сделал знаменитыми сорта «зелёной революции». Низкорослый рис не полегает при высоких дозах удобрений; мутантный аллель широко использовали в селекции риса в США и других странах.
• Ячмень Голден Промис (Шотландия, 1960-е). Гамма-мутант с короткой прочной соломиной и хорошим солодом — классический сорт для пивоварения и производства виски; до сих пор его используют генетики как удобную модель, потому что он хорошо поддаётся трансформации.
• Ячмень Диамант (Чехословакия, 1960-е), полученный рентгеновским облучением, — короткостебельный, урожайный; его мутантный ген короткостебельности вошёл в родословные сотен сортов ячменя Европы.
• Грейпфруты Стар Руби и Рио Ред (Техас, США). Почки облучали тепловыми нейтронами и получили сорта с ярко-красной мякотью, которая сохраняет окраску. Большая часть красных грейпфрутов Техаса — потомки этих мутантов.
• Мята перечная Тодд Митчем — нейтронное облучение дало формы, устойчивые к вертициллёзному увяданию, — болезни, грозившей уничтожить плантации мяты в США.
• Подсолнечник Первенец. В 1970-х гг. во Всесоюзном институте масличных культур (Краснодар) К. И. Солдатов обработал семена химическим мутагеном и получил форму с содержанием олеиновой кислоты в масле около 75 % вместо обычных 15–20 %. Такое масло устойчивее при нагревании и хранении, по свойствам близко к оливковому. Сорт Первенец стал источником высокоолеиновости практически для всех высокоолеиновых гибридов подсолнечника в мире.
• Лён с низким содержанием линоленовой кислоты (Австралия) — химические мутанты дали пищевое льняное масло, не прогоркающее быстро.
• Культуры, устойчивые к гербицидам без генной инженерии. Мутации в гене фермента ацетолактатсинтазы, полученные химическим мутагенезом и отбором клеток на гербициде, сделали растения кукурузы, пшеницы, риса, подсолнечника устойчивыми к гербицидам группы имидазолинонов.

В СССР мутационной селекцией активно занимались после возвращения генетики в 1960-х гг. — особенно на основе химических мутагенов Рапопорта: были созданы сорта пшеницы, ячменя, гороха, сои, кукурузы, люпина и многих других культур. Мутагенез широко используется и в селекции микроорганизмов — о нём рассказано в следующей статье серии.

Мутации «зелёной революции»

Самый яркий пример того, как одна мутация меняет сельское хозяйство, — гены короткостебельности. В середине XX в. урожайность пшеницы и риса ограничивало полегание: если дать растениям много азотных удобрений, они вырастали высокими, и колос с тяжёлым зерном пригибал стебель к земле — урожай терялся. Выход нашли в низкорослых формах.

• У пшеницы использовали гены Rht из японского сорта Норин 10 (сам он происходил от местных низкорослых форм). Эти гены делают растение малочувствительным к гормону роста — гиббереллину, и стебель остаётся коротким. Норман Борлоуг в Мексике создал на их основе короткостебельные сорта, которые спасли от голода Индию и Пакистан; в 1970 г. он получил Нобелевскую премию мира.
• У риса ту же роль сыграл ген sd1: его мутантный аллель нарушает синтез гиббереллина. Сорт IR8, выведенный на Филиппинах в 1966 г., удвоил урожаи риса в Азии. Позже мутантные аллели sd1 получали и искусственно — облучением (рис Калроуз 76).

В обоих случаях «полезная» мутация с точки зрения дикого растения вредна: низкорослое растение проигрывает в борьбе за свет. Но на поле, где сорняки удаляет человек, а удобрения вносит трактор, короткий прочный стебель — огромное преимущество. Это общее правило: селекционеру часто нужны именно те мутации, которые естественный отбор отбрасывает.

Почему мутантные сорта не считают ГМО

Мутагенез изменяет собственную ДНК организма случайным образом — так же, как естественные мутации, только чаще. Чужие гены не вводятся. Поэтому в большинстве стран, в том числе в России и в Евросоюзе, сорта, полученные мутагенезом, не относят к генетически модифицированным и выращивают без особых ограничений. Ирония в том, что мутагенез изменяет геном гораздо грубее и непредсказуемее, чем генная инженерия: в каждом мутантном растении сотни и тысячи случайных изменений, а при генной инженерии — одно встраивание известного гена.

Устойчивость к болезням: два пути

Устойчивость растений к возбудителям болезней бывает двух типов, и это важно для понимания и мутагенеза, и современных методов.

• Активная устойчивость определяется генами R: их белки узнают определённые молекулы возбудителя и запускают защитную реакцию. Такая устойчивость сильна, но недолговечна: возбудитель меняет узнаваемую молекулу и преодолевает ген R. Эти гены переносят из диких видов скрещиваниями, маркерами или генной инженерией, и их пирамидируют по нескольку в одном сорте.
• Устойчивость от «выключенных» генов восприимчивости. У растения есть собственные гены, которые возбудитель использует для проникновения и питания. Выключив такой ген, растение становится устойчивым — и преодолеть это возбудителю гораздо труднее, ведь нужная ему «дверь» просто отсутствует. Такие мутации рецессивны, поэтому обычным мутагенезом их получают только у диплоидов. Классический пример — ген mlo ячменя: мутант, найденный в 1940-х гг. при облучении, до сих пор обеспечивает устойчивость к мучнистой росе почти всему европейскому ячменю, и за 70 лет гриб её не преодолел.

Второй путь оказался особенно удобным для современных точных методов: нужно не добавить новый ген, а выключить уже имеющийся — а это самое простое, что умеет редактирование генома.

8. Мутагенез в селекции микроорганизмов

У микроорганизмов мутагенез работает гораздо эффективнее, чем у растений, и причины понятны:

• бактерии и грибы гаплоидны — мутация проявляется сразу, не нужно ждать второго поколения;
• в одной колбе выращивают миллиарды клеток, и среди них можно найти очень редкие мутанты;
• поколение сменяется за десятки минут, и циклы «мутагенез — отбор» повторяют многократно.

Классический пример — плесневый гриб Penicillium, производящий пенициллин. Исходный штамм, с которым работали Флеминг и затем группа Флори и Чейна, давал ничтожные количества антибиотика. В 1940-х гг. в США выделили более продуктивный природный штамм, а затем десятилетиями вели циклы облучения и обработки химическими мутагенами с отбором лучших колоний. В итоге продуктивность выросла в тысячи раз — именно это, а не само открытие пенициллина, сделало антибиотик дешёвым и доступным.

Так же получены высокопродуктивные штаммы, производящие аминокислоты (лизин, глутаминовая кислота), витамины, ферменты для стиральных порошков и пищевой промышленности, органические кислоты. Часто полезный мутант — это клетка с «испорченной» регуляцией: в норме бактерия перестаёт синтезировать аминокислоту, когда её достаточно, а мутант с нарушенным механизмом обратного торможения продолжает производить её и выделять в среду. Подробнее о селекции микроорганизмов и её достижениях — в следующей статье серии.

9. Генная инженерия: рекомбинантные ДНК в селекции

Генная инженерия — совокупность методов, позволяющих выделить ген из одного организма, соединить его с другими молекулами ДНК (получить рекомбинантную ДНК) и перенести в другой организм, где ген будет работать. Получившиеся организмы называют трансгенными, или генетически модифицированными (ГМО). Главное отличие от всех прежних методов селекции: ген можно взять у любого организма — бактерии, вируса, животного, другого растения, — преодолев барьер нескрещиваемости видов. Как синтезируют и клонируют гены, разобрано в статье блога об искусственном синтезе гена и рекомбинантных ДНК; здесь сосредоточимся на селекции.

Как создают трансгенное растение

1. Выбор и получение гена. Ген, отвечающий за нужный признак, выделяют из генома организма-донора, получают на матрице иРНК с помощью обратной транскриптазы или синтезируют химически.
2. Создание генетической конструкции. К гену присоединяют регуляторные участки: промотор, определяющий, где и когда ген будет работать (во всех тканях, только в семенах, только в листьях), и терминатор. Добавляют маркерный ген (например, устойчивости к антибиотику или гербициду), который позволит отобрать клетки, получившие конструкцию.
3. Перенос в клетки растения. Основные способы:
   • Агробактерия. Почвенная бактерия Agrobacterium tumefaciens в природе сама занимается «генной инженерией»: она переносит участок своей Ti-плазмиды (Т-ДНК) в клетки растения и вызывает опухоли — корончатые галлы. Учёные удалили из Т-ДНК гены опухолеобразования и вставили на их место нужные гены. В 1983 г. несколько групп (в Бельгии — М. Ван Монтегю и Й. Шелл, в США — М.-Д. Чилтон и сотрудники компании «Монсанто») впервые получили так трансгенные растения.
   • Генная пушка (биолистика): микроскопические частицы золота или вольфрама, покрытые ДНК, «выстреливают» в клетки. Метод был особенно важен для злаков, которые плохо заражаются агробактерией.
   • Перенос в протопласты с помощью электрического импульса или полиэтиленгликоля.
4. Отбор трансформированных клеток на среде с антибиотиком или гербицидом: выживают только клетки с маркерным геном.
5. Регенерация. Из трансформированных клеток в культуре тканей с помощью гормонов выращивают целые растения.
6. Проверка и отбор. Конструкция встраивается в случайное место генома, иногда в нескольких копиях. Из сотен полученных растений (их называют трансформационными событиями) выбирают те, где ген встроился удачно — работает стабильно и не нарушает других генов.
7. Селекционная работа. Лучшее трансформационное событие скрещиваниями и беккроссами переносят в популярные сорта и гибриды, затем проводят многолетние испытания, в том числе на безопасность.

Почему именно агробактерия и что такое вектор

Чтобы ген попал в клетку и закрепился в её геноме, нужен вектор — молекула-переносчик. У бактерий это плазмиды — небольшие кольцевые молекулы ДНК, способные размножаться независимо от основной хромосомы. Для растений роль природного вектора выполняет Ti-плазмида агробактерии: часть этой плазмиды сама встраивается в хромосому растительной клетки. Учёные удалили из переносимого участка гены, вызывающие опухоль, и оставили «пустое место», куда помещают нужную конструкцию. Остальное делает бактерия.

Понимание того, как работает агробактерия, пришло в 1970-х гг., когда бельгийские и американские исследователи обнаружили, что в клетках растительных опухолей есть бактериальная ДНК. Открытие природного переноса генов между царствами было неожиданным: оказалось, что обмен генами между неродственными организмами существует в природе. Сегодня известно много примеров горизонтального переноса генов — от бактерий к растениям, грибам, животным.

Чего генная инженерия не может

Распространённое заблуждение — что «теперь можно создать любой организм». На деле ограничения серьёзны:

• Признак должен определяться одним или немногими известными генами. Урожайность, вкус, засухоустойчивость зависят от сотен генов — их генной инженерией не улучшить.
• Введённый ген должен правильно работать в новом организме: нужны подходящий промотор, правильная обработка белка в клетке, доставка белка в нужный отсек клетки.
• Место встраивания случайно, поэтому из сотен полученных растений лишь немногие годятся: в остальных ген работает слабо, нестабильно или повреждает собственные гены растения.
• Проверка и регистрация одной линии занимают годы и стоят очень дорого — поэтому ГМ-сортов немного и они относятся в основном к самым массовым культурам.

Генная инженерия животных

У животных чужой ген вводят в оплодотворённую яйцеклетку (микроинъекцией в ядро) или в клетки, которые затем используют для клонирования. Трансгенных животных создавать сложнее и дороже, чем растения, и в сельском хозяйстве они используются мало. Самый известный пример — лосось AquAdvantage, в геном которого введён ген гормона роста чавычи под управлением промотора гена другой рыбы. Он достигает товарного веса быстрее обычного лосося; в США его одобрили для употребления в пищу в 2015 г. Гораздо шире генная инженерия применяется в селекции микроорганизмов-продуцентов — инсулина, гормона роста, ферментов (об этом — в статье серии о селекции микроорганизмов).

10. Трансгенные культуры: что создано

Первым трансгенным пищевым растением на рынке стал томат Флавр Савр (США, 1994): в него ввели «антисмысловую» копию гена фермента полигалактуроназы, размягчающего плоды, и томаты дольше сохраняли твёрдость. Коммерческого успеха он не имел, но открыл дорогу другим культурам. С 1996 г. в США, Канаде, Аргентине начали выращивать трансгенные сою, кукурузу, хлопчатник, рапс. Сегодня ГМ-культуры занимают около 200 млн га — больше всего в США, Бразилии, Аргентине, Индии (хлопчатник) и Канаде.

Устойчивость к насекомым: Bt-растения

Почвенная бактерия Bacillus thuringiensis образует белки-токсины (Cry-белки), смертельные для гусениц бабочек или личинок жуков. Препараты этой бактерии давно используют как биологический инсектицид, в том числе в органическом земледелии. В растения кукурузы и хлопчатника ввели гены Cry-белков, и растения сами защищаются от вредителей — кукурузного мотылька, хлопковой совки. Токсин действует только на насекомых, у которых в кишечнике есть особые рецепторы к нему; у млекопитающих таких рецепторов нет. Выращивание Bt-хлопчатника в Индии и Китае позволило резко сократить количество распыляемых инсектицидов.

Но эволюция не стоит на месте: при массовом выращивании Bt-культур у ряда вредителей появились устойчивые к токсину популяции. Чтобы замедлить этот процесс, рядом с Bt-полями сажают «убежища» — участки обычных растений, где выживают неустойчивые насекомые, и используют растения сразу с двумя-тремя разными Cry-белками (то же пирамидирование, что и с генами устойчивости к болезням).

Устойчивость к гербицидам

Самые распространённые ГМ-растения — устойчивые к гербициду глифосату. Глифосат подавляет фермент, нужный растениям для синтеза ароматических аминокислот (у животных этого пути нет). В растения ввели бактериальный вариант этого фермента, не чувствительный к глифосату. Фермер обрабатывает поле гербицидом, и гибнут только сорняки. Обратная сторона — при многолетнем использовании одного гербицида появились устойчивые к нему сорняки, и теперь приходится сочетать разные гербициды и приёмы обработки почвы.

Устойчивость к вирусам: спасение папайи

В 1990-х гг. вирус кольцевой пятнистости почти уничтожил плантации папайи на Гавайях. Учёные ввели в папайю ген белка оболочки этого вируса — растения стали устойчивы (механизм похож на «прививку»: растение заранее подавляет вирусную РНК). С 1998 г. трансгенная папайя Рейнбоу спасла местное производство.

Улучшение качества: золотой рис

В бедных странах Азии миллионы людей, питающихся в основном рисом, страдают от недостатка витамина A, что вызывает слепоту и ослабляет иммунитет детей. В зёрнах риса нет бета-каротина — предшественника витамина A, хотя в листьях он есть. В 2000 г. швейцарские и немецкие учёные под руководством Инго Потрикуса и Петера Бейера ввели в рис два гена — нарцисса и бактерии, — которые достраивают путь синтеза бета-каротина в эндосперме [4]. Зерно стало золотистым. В улучшенной версии — «Золотом рисе 2» — ген нарцисса заменили геном кукурузы, и содержание каротиноидов выросло более чем в 20 раз [5]. Путь к полям оказался долгим из-за регулирования и споров: впервые разрешение на выращивание золотой рис получил на Филиппинах в 2021 г.

Другие примеры

• Яблоки и картофель, не темнеющие на срезе: подавлены гены фермента полифенолоксидазы.
• Соя с изменённым составом масла.
• Кукуруза, устойчивая к засухе.
• Картофель, устойчивый к фитофторозу, — с генами устойчивости дикого картофеля, перенесёнными без скрещиваний.
• Декоративные растения: голубая роза, в которую ввели ген синтеза дельфинидина из анютиных глазок.

11. Безопасность ГМО и регулирование

ГМО — одна из самых обсуждаемых тем в обществе. Разберём её спокойно, отделяя научные данные от опасений.

Что говорят исследования

За десятилетия выращивания ГМ-культур проведены тысячи исследований. Обзоры крупных научных организаций, например Национальных академий наук США (2016), не нашли доказательств того, что разрешённые к использованию ГМ-растения опаснее для здоровья, чем обычные сорта. Каждую ГМ-линию перед допуском проверяют: на токсичность и аллергенность нового белка, на состав питательных веществ, на влияние на окружающую среду. Вывод учёных: опасность определяется не методом получения, а конкретным признаком — ген токсина для людей опасен, как бы его ни ввели, а ген безвредного белка безвреден.

Реальные проблемы

• Эволюция устойчивости у вредителей (к Bt-токсинам) и сорняков (к глифосату) — то же, что происходит при любом массовом использовании одного пестицида.
• Перенос генов от ГМ-растений к диким родичам или обычным сортам при перекрёстном опылении. Это важно в центрах происхождения культур (например, кукурузы в Мексике).
• Экономические вопросы: патенты на трансгенные события принадлежат немногим крупным компаниям, семена дороже, их нельзя пересевать свободно.
• Генетическое однообразие — тот же риск, что и при любом массовом сорте.

Как регулируют ГМО

Подход разных стран различается. В США, Канаде, Бразилии, Аргентине ГМ-культуры широко выращивают после проверки. Евросоюз разрешает лишь немногие линии и требует маркировки. В России федеральный закон 2016 г. запрещает выращивание ГМ-растений и разведение ГМ-животных, кроме научных исследований, но разрешён ввоз некоторых зарегистрированных ГМ-культур (например, сои) для переработки после проверки. Продукты с содержанием ГМО более 0,9 % должны иметь маркировку.

Вместе с тем Россия, как и многие другие страны, развивает генетические технологии: в 2019 г. была принята Федеральная научно-техническая программа развития генетических технологий на 2019–2027 гг., одна из задач которой — создание сортов и пород с помощью редактирования генома.

12. Редактирование генома

Редактирование генома — внесение изменений в заранее выбранное место ДНК: замена одного или нескольких нуклеотидов, выключение гена, вставка короткого фрагмента. По сути это «прицельный мутагенез»: вместо того чтобы получать тысячи случайных мутаций и искать среди них нужную, селекционер сразу создаёт нужную мутацию в нужном гене.

Инструменты: от «цинковых пальцев» до CRISPR

Все инструменты редактирования основаны на одном принципе: белок-нуклеаза разрезает обе цепи ДНК в выбранном месте, а затем клетка «чинит» разрыв.

• Нуклеазы «цинковые пальцы» (1990–2000-е) и TALEN (с 2010 г.) — белки, которые узнают нужную последовательность ДНК своими доменами. Для каждой новой мишени белок приходится конструировать заново — это сложно и дорого.
• CRISPR-Cas9 (с 2012 г.) — система, заимствованная из антивирусного иммунитета бактерий. Нуклеазу Cas9 к нужному месту приводит короткая направляющая РНК, комплементарная мишени [6]. Чтобы изменить мишень, достаточно синтезировать новую РНК из двадцати нуклеотидов — это быстро и дёшево. За разработку метода Эмманюэль Шарпантье и Дженнифер Дудна получили Нобелевскую премию по химии 2020 г. Химические основы работы «генетических ножниц» подробно разобраны в отдельной статье блога о CRISPR-Cas9.

Что происходит после разреза

1. Негомологичное соединение концов. Клетка просто сшивает концы разрыва, часто с ошибкой — выпадением или вставкой нескольких нуклеотидов. Если ошибка сдвигает рамку считывания, ген выключается (нокаут). Это самый простой и самый частый вариант редактирования в селекции.
2. Гомологичная рекомбинация. Если вместе с нуклеазой ввести в клетку образец ДНК с нужным изменением и «плечами», совпадающими с участками по краям разрыва, клетка может восстановить разрыв по этому образцу. Так вносят точные замены или вставляют фрагменты. У растений это пока малоэффективно.
3. Редактирование оснований и праймерное редактирование (с 2016 и 2019 гг.) — модифицированные Cas-белки, которые не разрезают обе цепи, а химически превращают одно основание в другое (например, C в T) или «переписывают» короткий участок по РНК-матрице. Это позволяет менять отдельные нуклеотиды без двунитевого разрыва.

Как отредактировать растение и не оставить в нём чужих генов

Гены Cas9 и направляющей РНК вводят в растение обычно с помощью агробактерии — то есть сначала растение временно становится трансгенным. Но после того как редактирование произошло, конструкция больше не нужна. Растение скрещивают или самоопыляют: в потомстве гены Cas9 и мутация в мишени наследуются независимо (если они на разных хромосомах), и можно отобрать растения с нужной мутацией, но без чужой ДНК. Другой способ — ввести в протопласты уже готовый комплекс белка Cas9 и РНК, который через несколько дней разрушается, не оставляя следа в геноме. Получившееся растение по своей ДНК неотличимо от мутанта, который мог бы возникнуть в природе или при мутагенезе.

13. Отредактированные растения и животные

• Томат с повышенным содержанием ГАМК (Япония, 2021) — первый отредактированный с помощью CRISPR пищевой продукт, поступивший в продажу. В гене фермента, синтезирующего гамма-аминомасляную кислоту, удалили участок, который в норме тормозит его работу, и содержание ГАМК в плодах выросло в несколько раз.
• Пшеница, устойчивая к мучнистой росе. У пшеницы ген MLO, делающий растение восприимчивым к мучнистой росе, есть в трёх копиях — в геномах A, B и D. Мутацию, найденную у ячменя ещё в 1940-х гг., у пшеницы обычным мутагенезом получить не удавалось: нужно выключить все три копии одновременно. В 2014 г. китайские учёные сделали это с помощью TALEN и CRISPR, а позже получили вариант, при котором устойчивость не снижает урожай.
• Соевое масло с высоким содержанием олеиновой кислоты (США, 2019) — выключены гены фермента, превращающего олеиновую кислоту в линолевую, — тот же признак, который у подсолнечника когда-то получили химическим мутагенезом.
• Восковидная кукуруза — выключен ген, отвечающий за синтез амилозы; крахмал состоит почти целиком из амилопектина, что ценно для пищевой промышленности. Раньше такой признак переносили беккроссами из старых мутантов, теряя годы.
• Рис, картофель, бананы с повышенной устойчивостью к болезням, рис с изменённой архитектурой куста и формой зерна — сотни разработок в разных странах.
• Свиньи, устойчивые к репродуктивно-респираторному синдрому. Вирус этой болезни проникает в клетки через белок CD163. Свиньи, у которых удалён небольшой участок этого гена, не заражаются вирусом, а в остальном нормальны. В 2025 г. такие свиньи получили одобрение в США.
• Крупный рогатый скот — безрогие молочные коровы (в геном вставили природный аллель безрогости мясных пород вместо того, чтобы удалять рога у телят), коровы с короткой «гладкой» шерстью, легче переносящие жару (аллель, найденный у тропических пород).

Урок безрогих коров

История безрогих быков полезна, потому что показывает: редактирование генома тоже нужно проверять. В 2019 г. американские регуляторы, анализируя геном отредактированного быка, обнаружили, что помимо нужного аллеля в геном случайно встроился фрагмент бактериальной плазмиды с генами устойчивости к антибиотикам. Нужный признак был получен правильно, но «побочный груз» никто не заметил. Поэтому сегодня отредактированные организмы обязательно проверяют полным прочтением генома.

Как регулируют отредактированные организмы

Многие страны — США, Аргентина, Бразилия, Япония, Великобритания (с 2023 г.) — решили, что растения с небольшими изменениями, которые могли бы возникнуть и естественным путём, и без чужой ДНК в геноме не следует регулировать как ГМО. В Евросоюзе такие растения долго приравнивались к ГМО, а сейчас готовятся новые, более мягкие правила. В России вопрос о статусе отредактированных растений обсуждается; при этом их разработка входит в государственную программу развития генетических технологий.

14. Этические вопросы

Чем точнее становятся методы, тем важнее договориться, где границы их применения. В селекции растений и микроорганизмов спорных вопросов немного: речь идёт о безопасности пищи и влиянии на природу, и они решаются проверками и правилами. Сложнее с животными и, конечно, с человеком.

• Благополучие животных. Отредактированные свиньи, не заражающиеся вирусом, или безрогие коровы, которым не нужно удалять рога, делают жизнь животных лучше. Но те же методы можно использовать, чтобы ещё больше ускорить рост и повысить продуктивность — а это часто означает болезни, нагрузку на организм, невозможность нормального поведения. Многие специалисты считают, что технологию следует направлять на здоровье и устойчивость животных, а не только на продуктивность.
• Распространение изменений в природе. Разрабатываются системы, заставляющие изменённый ген распространяться в дикой популяции быстрее обычного наследования, — их предлагают использовать против малярийных комаров и инвазивных видов. Это потенциально способно избавить людей от тяжёлых болезней, но вмешивается в целые экосистемы и необратимо, поэтому требует международных решений, а не решения одной лаборатории или страны.
• Человек. Международный научный консенсус разделяет изменение клеток тела больного человека для лечения болезни (это разрешено и уже применяется в медицине) и изменение наследуемых клеток — такое вмешательство передалось бы потомкам, и оно недопустимо при нынешнем уровне знаний. В 2018 г. китайский исследователь нарушил этот запрет, за что был осуждён; научное сообщество осудило его работу.

Общий принцип, к которому пришли учёные и юристы: оценивать нужно не метод, а результат и риски конкретного применения. Сорт пшеницы, устойчивый к болезни, одинаково полезен, получен он скрещиванием, облучением или редактированием; а вмешательство, последствия которого необратимы и затрагивают многих, требует общественного обсуждения независимо от того, какими инструментами оно сделано.

15. Сравнение методов получения исходного материала

Все три метода не заменяют, а дополняют традиционную селекцию. Новый признак, полученный любым из них, нужно ещё соединить в одном сорте с десятками других — урожайностью, качеством, устойчивостью, приспособленностью к местным условиям. Это делается скрещиваниями, отбором и испытаниями, как и сто лет назад.

Три источника исходного материала: как они связаны

Статья завершает разбор методов получения исходного материала, начатый в предыдущих статьях серии. Полезно увидеть всю картину:

1. Природное разнообразие — сорта, породы, местные формы, дикие родичи из центров происхождения (учение Вавилова). Самый богатый и самый безопасный источник, но ограниченный тем, что уже существует.
2. Новые сочетания — внутривидовая и отдалённая гибридизация, полиплоидия. Создают новые комбинации существующих генов и объединяют геномы видов.
3. Новые аллели — мутагенез, генная инженерия, редактирование генома. Создают то, чего не было.

А отбор, о котором шла речь в статьях об искусственном отборе и об отборе по генотипу, остаётся тем же инструментом, что и у первых земледельцев: из всего полученного многообразия нужно выбрать лучшее и размножить. Методы меняются, логика селекции — изменчивость плюс отбор — остаётся неизменной со времён доместикации.

16. Хронология

17. Итог: что важно знать

• Мутагенез, генная инженерия и редактирование генома создают новую наследственную изменчивость — исходный материал для селекции, когда нужных признаков нет у существующих форм.
• Искусственный мутагенез — получение мутаций с помощью мутагенов, повышающих частоту мутаций в десятки и сотни раз.
• Радиационный мутагенез: рентгеновские и гамма-лучи, нейтроны, ионы, ультрафиолет; вызывают разрывы ДНК, генные и хромосомные мутации. Химический мутагенез: алкилирующие вещества (ЭМС, нитрозомочевины — супермутагены Рапопорта), азид натрия и др.; вызывают в основном точечные замены.
• Мутации случайны и в основном вредны; рецессивные мутации проявляются во втором поколении (M₂), где и ведут отбор. Мутант улучшают скрещиваниями с лучшими сортами.
• Мутагенез дал тысячи сортов: высокоолеиновый подсолнечник Первенец, низкорослый рис, ячмень, грейпфруты, а также высокопродуктивные штаммы микроорганизмов.
• Генная инженерия (методы рекомбинантных ДНК) позволяет перенести ген из любого организма; примеры — Bt-культуры, устойчивые к вредителям, устойчивые к гербицидам культуры, золотой рис.
• Редактирование генома (CRISPR-Cas9) вносит изменения в заданное место собственной ДНК организма; это «прицельный мутагенез».

18. Частые ошибки

• «Мутагены вызывают нужные мутации». Мутагены лишь увеличивают частоту мутаций; характер и место мутаций случайны, а нужные приходится искать отбором среди множества вредных.
• «Мутантное растение сразу становится сортом». Нет: мутант — только исходный материал. Его скрещивают с лучшими сортами, отбирают, испытывают несколько лет.
• «Отбор мутантов ведут в первом поколении». В M₁ большинство мутаций в гетерозиготном состоянии и рецессивны — они не видны. Главный отбор ведут в M₂, когда появляются гомозиготы.
• «Мутагенез и генная инженерия — одно и то же». Мутагенез меняет собственную ДНК случайно и по всему геному; генная инженерия вводит определённый ген, часто из другого организма.
• «ГМО — это любой организм с мутациями». Генетически модифицированными называют организмы, полученные методами генной инженерии (с введённой рекомбинантной ДНК); мутантные сорта, полученные облучением или химическими мутагенами, к ГМО не относят.
• «Bt-токсин ядовит для человека». Белки Cry действуют только на насекомых, у которых в кишечнике есть специфические рецепторы; препараты этой бактерии давно применяются и в органическом земледелии.
• «CRISPR встраивает чужие гены». Чаще всего с помощью CRISPR выключают или изменяют собственные гены; отредактированное растение может не содержать никакой чужой ДНК.
• «Колхицин вызывает генные мутации» — он вызывает геномные (полиплоидию), нарушая расхождение хромосом.
• «Ионизирующее излучение делает семена радиоактивными». Облучение гамма-лучами или рентгеном не делает семена и выросшие из них растения радиоактивными; изменения касаются только ДНК.
• «Устойчивость к болезни, полученная генной инженерией, сохраняется навсегда». Возбудители эволюционируют и преодолевают устойчивость независимо от того, каким методом ген введён; поэтому гены устойчивости сочетают по нескольку в одном сорте.
• «Редактирование генома позволяет улучшить любой признак». Нужно знать ген и требуемое изменение; количественные признаки, зависящие от сотен генов, улучшают обычной и геномной селекцией.

19. Интересные факты

• Мутантный ячмень Голден Промис долгие годы был основой знаменитых сортов шотландского виски: его солод ценили за стабильное качество.
• Агробактерия — природный генный инженер: она переносит свои гены в клетки растений миллионы лет. Недавно выяснилось, что батат (сладкий картофель) несёт в геноме гены агробактерий, попавшие к его предкам тысячи лет назад, — то есть все сорта батата «естественно трансгенны».
• Белки Bt впервые описал японский биолог Сигэтанэ Исиваты в 1901 г., изучая болезнь тутового шелкопряда, а название бактерии дано по немецкой земле Тюрингия, где её заново выделили в 1911 г.
• Голубая роза, созданная генной инженерией в Японии, на самом деле сиреневато-голубая: чтобы получить «настоящий» голубой цвет, нужно ещё изменить кислотность клеточного сока лепестков.
• Многие красные грейпфруты в магазине — потомки растений, облучённых нейтронами на ядерном реакторе в 1950–1970-х гг.
• Свет, видимый и ультрафиолетовый, тоже может вызывать мутации: ультрафиолет солнца — главная причина мутаций в клетках кожи человека.
• Система CRISPR была открыта как загадочные повторы в геноме бактерий ещё в 1987 г. японскими учёными; понадобилось 25 лет, чтобы понять её функцию и превратить в инструмент.
• Создатель золотого риса Инго Потрикус безвозмездно передал права на использование технологии для мелких фермеров развивающихся стран.
• Опыты Мёллера показали и обратную сторону: излучение вызывает мутации у человека. Мёллер всю жизнь предупреждал об опасности радиации и выступал против испытаний ядерного оружия.
• Первый трансгенный организм — бактерия, полученная в 1973 г.; трансгенная мышь появилась в 1974 г., трансгенное растение — в 1983 г.
• Инсулин, которым лечат диабет, с 1980-х гг. получают не из поджелудочных желёз животных, а от бактерий и дрожжей с введённым геном человеческого инсулина: это первый лекарственный препарат генной инженерии.
• Фермент химозин для производства сыра раньше получали только из желудков телят; теперь большую часть его вырабатывают микроорганизмы с введённым геном — поэтому многие сыры пригодны для вегетарианцев.
• Мутантные сорта особенно важны для культур, размножаемых вегетативно: у банана, который почти не даёт семян, мутагенез и культура тканей — едва ли не единственный способ получить новые формы.
• Международная база данных мутантных сортов ФАО и МАГАТЭ открыта для всех: в ней можно посмотреть, каким мутагеном и в какой дозе получен тот или иной сорт.

20. Частые вопросы

21. ЕГЭ

Тема входит в элемент 3.6 кодификатора [7]: «Искусственный мутагенез как метод селекционной работы. Радиационный и химический мутагенез как источник мутаций у культурных форм организмов. Использование геномного редактирования и методов рекомбинантных ДНК для получения исходного материала для селекции». На экзамене спрашивают, что такое мутагены и какие бывают, зачем селекционерам мутагенез, почему мутантов отбирают во втором поколении, чем генная инженерия отличается от традиционной селекции, что такое трансгенные организмы и редактирование генома.

Что обязательно знать к экзамену

• Определения мутагенеза, мутагенов, трансгенного организма, рекомбинантной ДНК, редактирования генома.
• Виды мутагенов: физические (излучения), химические, биологические.
• Значение мутагенеза для селекции и его недостатки (случайность, вредность большинства мутаций).
• Этапы создания трансгенного организма.
• Примеры: сорта, полученные мутагенезом; ГМ-растения (Bt-культуры, золотой рис); принцип CRISPR-Cas9.

Разбор заданий части 1

Задание. Как называют метод селекции, основанный на получении мутаций под действием излучений и химических веществ? Ответ: искусственный (экспериментальный) мутагенез.

Задание. Выберите три примера физических мутагенов: 1) рентгеновские лучи; 2) колхицин; 3) гамма-излучение; 4) нитрозометилмочевина; 5) ультрафиолетовое излучение; 6) вирусы. Ответ: 135.

Задание. Установите последовательность этапов создания трансгенного растения: А) регенерация растения из клеток; Б) выделение нужного гена; В) встраивание гена в вектор; Г) введение вектора в клетки; Д) отбор трансформированных клеток. Ответ: БВГДА.

Разбор заданий части 2

Задание. Почему мутагенез используют в селекции, хотя большинство мутаций вредны? Ответ. 1) Мутагены повышают частоту мутаций в десятки и сотни раз. 2) Среди большого числа мутантов можно найти редкие полезные мутации, которых нет в природных популяциях и сортах. 3) Полезные мутации отбирают, а вредные отбраковывают. 4) Мутантов скрещивают с лучшими сортами и используют как исходный материал для создания новых сортов.

Задание. Почему мутантные формы растений отбирают, как правило, во втором поколении после обработки мутагеном? Ответ. 1) Большинство мутаций рецессивны. 2) В первом поколении мутации находятся в гетерозиготном состоянии (и не во всех клетках растения) и не проявляются. 3) При самоопылении во втором поколении часть потомков становится рецессивными гомозиготами. 4) Мутантный признак проявляется в фенотипе, и его можно отобрать.

Задание. Чем метод генной инженерии отличается от традиционных методов селекции? Ответ. 1) Позволяет перенести ген от любого организма, преодолевая нескрещиваемость видов (например, ген бактерии — растению). 2) Переносится определённый известный ген, а не весь геном. 3) Результат получается быстрее и целенаправленнее. 4) Такие организмы называют трансгенными (ГМО); их использование регулируется законом.

Задание. Какие преимущества имеют Bt-растения? Какая проблема возникает при их широком использовании? Ответ. 1) В них введён ген белка-токсина бактерии Bacillus thuringiensis, действующего на насекомых-вредителей. 2) Растения защищены от вредителей, снижается расход химических инсектицидов. 3) Токсин не действует на млекопитающих, у которых нет рецепторов к нему. 4) Проблема — естественный отбор устойчивых к токсину вредителей; для её решения используют «убежища» с обычными растениями и несколько разных токсинов.

Задание. Что такое редактирование генома и чем оно отличается от искусственного мутагенеза? Ответ. 1) Редактирование генома — внесение изменений в заранее выбранный участок ДНК организма. 2) При мутагенезе мутации возникают случайно по всему геному, и нужные приходится искать среди тысяч растений. 3) При редактировании изменение вносится в известный ген, а число случайных изменений мало. 4) И в том и в другом случае получают исходный материал, который дальше используют в обычной селекции.

22. Для олимпиад

Сколько растений нужно просмотреть селекционеру

Пусть после обработки мутагеном мутация в нужном гене возникает у одного растения M₁ из 1000 (частота 10⁻³). Вероятность того, что среди N растений не мутировало ни одно, равна (1 − 10⁻³)^N ≈ e^−N/1000. Чтобы она стала меньше 0,05, нужно N ≈ 3000 растений. Мутация рецессивна, поэтому в M₁ она не видна; в потомстве растения-носителя гомозиготы составляют 1/4, и при 10 потомках вероятность не увидеть ни одного мутанта — (3/4)¹⁰ ≈ 0,06. Итого нужно порядка 30 000 растений M₂. Этот расчёт объясняет главную особенность мутационной селекции: она требует работы с очень большими популяциями.

Наследование мутации, возникшей в одной клетке

Зародыш семени состоит из нескольких клеток, и мутация возникает лишь в одной из них. Поэтому растение M₁ — химера: часть его побегов несёт мутацию, часть нет. Семена, собранные с «немутантных» побегов, мутации не дадут вовсе. Отсюда правило: с каждого растения M₁ собирают семена отдельно по колосьям или побегам и высевают их отдельными семьями. Расщепление 3 : 1 наблюдается только внутри той семьи, которая происходит от мутантного сектора.

Почему у полиплоидов мутагенез работает хуже

У мягкой пшеницы каждый ген представлен тремя гомеологичными копиями — в геномах A, B и D. Рецессивная мутация в одной копии не даёт фенотипического эффекта: две другие копии продолжают работать (генетическая избыточность). Чтобы получить признак, нужно выключить все три копии, а вероятность трёх независимых мутаций в одном растении при частоте 10⁻³ составляет 10⁻⁹ — недостижимо. Поэтому мутанты пшеницы по многим признакам получали, скрещивая между собой мутантов по отдельным копиям, полученных в разных экспериментах. Именно это ограничение и преодолели современные точные методы, позволяющие изменить все копии гена сразу.

Доза мутагена и выход мутаций

Число мутаций в расчёте на растение растёт примерно пропорционально дозе, а доля выживших растений падает с дозой примерно экспоненциально: S = e^−kD. Общее число мутантов среди выживших — произведение этих величин, и оно имеет максимум при промежуточной дозе. Поэтому селекционеры подбирают дозу, при которой выживает примерно половина растений: при меньшей дозе мутаций мало, при большей почти всё погибает, а выжившие несут слишком много повреждений.

23. Задания с разбором

Задание 1

Что такое искусственный мутагенез?

Задание 2

Назовите три физических и три химических мутагена.

Задание 3

Какие мутации чаще вызывают ионизирующие излучения, а какие — химические мутагены?

Задание 4

Почему отбор мутантов ведут во втором поколении (M₂)?

Задание 5

Почему мутант нельзя сразу использовать как сорт?

Задание 6

Назовите два сорта растений, созданных с помощью мутагенеза.

Задание 7

Найдите ошибки. 1) Мутагены вызывают строго определённые мутации. 2) Большинство мутаций вредны. 3) Колхицин вызывает геномные мутации. 4) Облучённые семена становятся радиоактивными. 5) Мутагенез применяют и к микроорганизмам.

Задание 8

Что такое рекомбинантная ДНК?

Задание 9

Какой организм называют трансгенным?

Задание 10

Чем генная инженерия принципиально отличается от отдалённой гибридизации?

Задание 11

Зачем в генетическую конструкцию включают маркерный ген?

Задание 12

Какую роль в генной инженерии растений играет агробактерия?

Задание 13

Что такое Bt-растения и в чём их преимущество?

Задание 14

Какую проблему решает золотой рис и как?

Задание 15

Что такое редактирование генома?

Задание 16

Чем отредактированный организм может отличаться от трансгенного?

Задание 17

Почему при широком выращивании Bt-культур у вредителей появляется устойчивость?

Задание 18

Почему мутантные сорта в большинстве стран не относят к ГМО?

Задание 19 (олимпиадное)

Частота мутации в нужном гене — 10⁻³ на растение. Сколько растений M₁ надо обработать, чтобы вероятность получить хотя бы одну такую мутацию была не ниже 95 %?

Задание 20 (олимпиадное)

Почему у гексаплоидной пшеницы рецессивную мутацию по признаку получить труднее, чем у диплоидного ячменя?

Литература

1. Muller H. J. Artificial transmutation of the gene // Science. 1927. Vol. 66, № 1699. P. 84–87. DOI: 10.1126/science.66.1699.84.
2. Stadler L. J. Mutations in barley induced by X-rays and radium // Science. 1928. Vol. 68, № 1756. P. 186–187. DOI: 10.1126/science.68.1756.186.
3. Ahloowalia B. S., Maluszynski M. Induced mutations — a new paradigm in plant breeding // Euphytica. 2001. Vol. 118. P. 167–173. DOI: 10.1023/A:1004162323428.
4. Ye X., Al-Babili S., Klöti A. et al. Engineering the provitamin A (beta-carotene) biosynthetic pathway into (carotenoid-free) rice endosperm // Science. 2000. Vol. 287, № 5451. P. 303–305. DOI: 10.1126/science.287.5451.303.
5. Paine J. A., Shipton C. A., Chaggar S. et al. Improving the nutritional value of Golden Rice through increased pro-vitamin A content // Nature Biotechnology. 2005. Vol. 23, № 4. P. 482–487. DOI: 10.1038/nbt1082.
6. Jinek M., Chylinski K., Fonfara I. et al. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity // Science. 2012. Vol. 337, № 6096. P. 816–821. DOI: 10.1126/science.1225829.
7. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.