Создание гербицидоустойчивых растений

Гербициды очень широко применяются в интенсивных сельскохозяйственных технологиях для уничтожения сорняков. Однако гербициды экологически опасны, так как обладают широким спектром действия; они токсичны для млекопитающих и могут накапливаться в растениях и во внешней среде. Еще один существенный недостаток гербицидов: они подавляют рост не только сорняков, но и культурных растений. Кроме того, у многих сорняков отмечено появление устойчивости к различным гербицидам.

Такие высокоэффективные гербициды, как глифосат и атразины, интенсивно изучаются на предмет выявления механизма толерантности к ним некоторых сорняков. Изучение механизма устойчивости к гербицидам с целью получения методами генетической инженерии культурных растений, обладающих этим признаком, включает следующие этапы: выявление биохимических мишеней действия гербицидов в растительной клетке, отбор устойчивых к данному гербициду организмов в качестве источников генов устойчивости, клонирование этих генов, введение их в культурные растения и изучение их функционирования.

Установлено, что признак гербицидоустойчивости является моногенным, т. е. признак детерминируется чаще всего одним-единственным геном. Это облегчает возможность применения технологии рекомбинантной ДНК для передачи данного признака. Таким образом, гены, кодирующие те или иные ферменты деструкции и модификации гербицидов, могут быть с успехом использованы для создания гербицидоустойчивых растений методами генетической инженерии, поскольку традиционные методы селекции создания сортов, устойчивых к гербицидам, очень длительны и малорезультативны .

Наиболее широко применяемый за рубежом гербицид глифосат (коммерческое название — Roundup) подавляет синтез важнейших ароматических аминокислот (тирозина, фенилаланина и триптофана). Под действием гербицида у неустойчивых к нему растений наблюдаются симптомы азотного голодания (из-за недостатка названных аминокислот), и они погибают в течение двух недель.

Путем переноса гена ср4 (ген, кодирующий EPSPS и несущий точковую мутацию — «мутацию мишени») в геном растений было изменено сродство гербицида с его ферментоммишенью. В результате гербицид «не узнаёт» свою мишень, фермент сохраняет активность, а растение становится устойчивым к его действию. Таким способом в 1977 г. был получен сорт сои, устойчивый к Roundup. Причем в полученной трансгенетической сое отсутствуют селективные гены устойчивости к антибиотикам, поскольку сам ген устойчивости к глифосату можно использовать в качестве селективного.

К числу наиболее распространенных гербицидов, применяемых при обработке зерновых культур, относится атразин. Он подавляет фотосинтез, связываясь с одним из белков фотосистемы II и прекращая тем самым транспорт электронов. Устойчивость к гербициду возникает в результате точечных мутаций в пластохинон-связывающем белке (замена серина на глицин), вследствие чего он теряет способность взаимодействовать с гербицидом. Химерные растения проявляли значительную устойчивость к таким концентрациям атразина, которые вызывали гибель контрольных растений с геном белка дикого типа.

Ряд гербицидов (паракват, ацифлуофен) ингибирует фотосинтез путем повышения содержания активных форм (радикалов) кислорода. Известно, что нейтрализация супероксиданиона катализируется ферментом супероксиддисмутазой, кодируемой геном sod. С целью защиты от гербицидов была получена кДНК гена sod из табака и введена в геном люцерны, что резко повысило устойчивость растения к этим гербицидам.