Задача и значение темы «Биотехнология в защите растений»

Генная инженерия один из основ современной биотехнологии.

Другой базовой отраслью науки, давшей толчок развитию биотехнологии, стала генная инженерия. Расшифровка молекулярной структуры гена стала величайшим открытием биологии ХХ века.
Молекулярная биология и молекулярная генетика помогли открыть сначала двойную спираль ДНК, а затем механизмы хранения и реализации генетической информации. Стала реальностью многовековая мечта селекционеров о целенаправленном изменении наследственности
организмов. Генная инженерия – пересадка конкретных генов, «ведающих» определенными признаками растений и животных, в том числе микроорганизмов, сейчас внедряется во все сферы биотехнологии.
Методами генной инженерии в геноме организмов активизируются или встраиваются отдельные гены, ответственные за продуцирование тех или иных веществ, повышение плодовитости, биомассы организмов, устойчивости к неблагоприятным факторам и т.п. В лабораториях создаются этим путем ранее не существовавшие, не созданные природой формы микроорганизмов, растений, животных, наделенные хозяйственно важными признаками.
Особый успех в биотехнологии выпал на долю клеточной биологии. С ее методами и успехами мы еще подробно познакомились. Клеточная биология – это основа получения и микро клонирования (биотехнология размножения) в промышленных масштабах оздоровленных безвирусных растений. Она также помогла преодолеть генетическую несовместимость при скрещивании некоторых отдаленных видов растений.
Сегодня путем слияния протопластов растительных или животных клеток получают соматические гибриды. С помощью методов клеточной инженерии получены новые ценные сорта риса, ячменя, чеснока и др. В сочетании с генной инженерией клеточная биотехнология особенно эффективна в получении и размножении новых пород животных и сортов растений.
4. Современное состояние и основные достижения биотехнологии в защите растений. Можно сказать, что сейчас во всем мире биотехнология, наряду с космической техникой и наукой, военно-прикладными исследованиями стоит в авангарде развития человеческой мысли, приложения человеческого интеллекта, гения и трудов. Ведь главными отраслями применения биотехнологии являются пищевая промышленность, решение продовольственных проблем, здравоохранения, охраны окружающей среды.
А эти три области наших забот – питание, здоровье, чистая окружающая среда – основные для человечества. Разработки в области биотехнологии защиты растений и их применение как раз и дают возможность подходить рационально к решению этих проблем.
Одно из важнейших направлений сельскохозяйственной биотехнологии – создание биопрепаратов для защиты растений от вредителей и болезней.
Микробиологический метод защиты растений имеет ряд преимуществ перед химическим, как вы знаете. Биопрепараты не опасны для окружающей среды, более специфичны, чем пестициды. С развитием биотехнологии, промышленного культивирования микроорганизмов в последние два десятилетия значительно расширились возможности применения биопрепаратов. Наряду с ними биотехнологическим путем стали получать феромоны, аттрактанты, репелленты, биологически активные вещества, регуляторы роста, антибиотики, разводить хищных и паразитических насекомых, фитофагов (гербифагов), подавляющих вредных насекомых, болезни, сорняки.
Наибольшие успехи достигнуты в создании микробных инсектицидов.
Биотехнологические разработки здесь проводятся в двух направлениях.
1. Создание биопрепаратов на основе энтомопатогенных микроорганизмов.
2. Получение химических средств защиты растений путем микробного синтеза.
Разработаны промышленные биотехнологии получения биопрепаратов у нас в стране и за рубежом. В их основе лежит так называемое «глубинное» культивирование микроорганизмов в промышленных ферментёрах. Среди препаратов энтомоцидного действия ведущее место принадлежит препаратам на основе бактерии Бациллюс тюрингиензис. Инсектицидным началом в этих препаратах служат вырабатываемые бактерией кристаллы эндотоксина, экзотоксины, и споры бактерии.
Готовые препараты представляют собой или смесь спор и токсинов или же один экзотоксин. Эти препараты выпускаются в различных формах: жидких культур, паст, дустов, смачивающихся порошков, гранул. Наиболее распространены дендробациллин, лепидоцид, битоксибациллин, гомелин, бактоспеин.
Против широкого круга насекомых также эффективны грибные препараты на основе гриба Боверия бассиана – боверин, колорцид и др. Главный недостаток грибных и бактериальных препаратов неспособность вызывать эпизоотии у насекомых.
Гораздо э ффективнее в этом отношении вирусные препараты, хотя производство вирусных инсектицидов более трудоемкое и менее механизировано. Выпускаются вирусные препараты, действующие только на одного-двух вредителей. Все они носят название виринов: вирин – ГЯП, вирин – ХС, вирин – ОС и другие. Новым направлением является использование протозойных микроорганизмов. В США получен на основе Nosema locusta Pall. препарат против саранчовых.
Все более широкое применение в мире и у нас в стране находят антибиотики (фунгициды и бактерициды) для борьбы с болезнями растений.
Они обладают системностью, высокой активностью. У нас в стране разрешены к применению трихотецин, фитобактериомицин, используемые против корневых гнилей. Наиболее широко применяются антибиотики в Японии в борьбе с перикуляриозом риса.
Разработаны подходы к микробному синтезу гербицидов –фитотоксинов сорняков. С помощью методов генной инженерии вводят в растения гены токсичности для вредителей. Перспективно применение гормональных препаратов, нарушающих развитие насекомых.
Важным направлением в сельскохозяйственной биотехнологии явилось создание искусственных инфекционных фонов для селекции растений на устойчивость к болезням. Биотехнологическими методами получают сейчас безвирусные растения картофеля, томатов, бобовых, винограда, плодовых культур.
Селекционная защита от болезней и вредителей — введение в сельскохозяйственное производство устойчивых сортов. Но это очевидное положение нуждается в расшифровке. В противном случае не было бы необходимости посвящать этому отдельную главу. Дело в том, что устойчивые сорта могут принципиально различаться по генетическим механизмам устойчивости, по биотипическому составу, а также по возможности создавать на их основе определенные системы, обеспечивающие эффективную защиту посевов и посадок в целом регионе.
Способ селекционной защиты зависит от природы возбудителя болезни или вредителя, генетики устойчивости, особенностей селекционной технологии. Причем все эти факторы взаимосвязаны. Поэтому невозможно говорить о видах селекционной защиты, не касаясь в известной мере технологий селекции.
Основоположником микробиологического метода борьбы с вредными насекомыми является известный французский микробиолог Луи Пастер. В 1874 г. он предложил использовать бактерии против опасного вредителя винограда филлоксеры. Наряду с бактериями для борьбы с вредителями насекомыми применяются вирусы, так как вирусные болезни достаточно широко распространены среди насекомых. Могут быть использованы также биологически активные вещества самих насекомых – феромоны (влияют на обмен веществ других особей того же вида, выделяются в окружающею среду), ювенильный гормон (предотвращает превращение личинки в куколку), гормон линьки и др.
В современном сельскохозяйственном производстве практически невозможно обойтись без гербицидов. И хотя гербициды нового поколения высокоэффективны в низких концентрациях и быстро разрушаются в почве, они не являются селективными и ингибируют рост как сорняков, так и культурных растений. Большинство гербицидов действуют на растения путем инактивации жизненно важных ферментов, связанных с фотосинтезом или другими биосинтетическими путями. Исходя из механизмов действия гербицидов на растения разработано три основных генно-инженерных подхода к созданию гербицида-устойчивых растений: – модификация растительного фермента мишени, в результате которой он теряет чувствительность к гербициду; – индицирования повышенного синтеза фермента без нарушения его нормального метаболизма; – введение в геном растения фермента, способного деградировать и детоксицировать гербицид в растении. При возделывании устойчивой к Раундапу сои большинство фермеров ограничивается лишь одной обработкой посевов этим гербицидом, традиционные же сорта требуют многократной обработки несколькими видами гербицидов. При этом затраты на химические средства защиты значительно сокращаются. Многие насекомые, а также болезни, вызываемые грибной, бактериальной и вирусной инфекцией, наносят большой ущерб сельскохозяйственному производству. Хозяйства вынуждены тратить большие средства на закупку различных химических средств для борьбы с вредителями и патогенами. При этом вносимые химикаты загрязняют окружающую среду, оказывают вредное влияние на млекопитающих и полезных насекомых.
Поэтому поиск и создание с помощью генно-инженерных методов устойчивых к вредителям и болезням форм растений сейчас одна из актуальнейших задач. Известно, что бактерия Bacillus thuringiensis синтезирует белковые кристаллические структуры, обладающие сильным инсектицидным действием. Попадая в кишечник насекомых, белок расщепляется под действием протеаз насекомого до активного токсина, который и вызывает гибель насекомого. Известно и уже изолировано много различных Bt генов (cry гены), кодирующих инсектицидные белки, которые очень специфичны для различных видов насекомых. Важно подчеркнуть, что эти белки совершенно нетоксичны для млекопитающих, рыб, беспозвоночных и полезных насекомых. 10 Созданные трансгенные растения баклажана полностью устойчивы к колорадскому жуку. Первый коммерческий сорт картофеля, устойчивого к колорадскому жуку, создан фирмой Монсанто путем введения в геном картофеля, модифицированного Bt гена cry III. Активно ведутся работы по клонированию генов и созданию трансгенных растений, устойчивых к грибным, бактериальным и вирусным инфекциям.

Рис. 107. Страны, выращивающие трансгенные растения.
Практически всю площадь посевов трансгенных культур занимают генетически модифицированные сорта четырёх растений: сои (62 %), кукурузы (24 %), хлопчатника (9 %) и рапса (4 %). Уже созданы сорта трансгенного картофеля, помидоров, риса, табака, свёклы и других культур
Аналогичным способом в настоящее время получают гормон роста. Человеческий ген, встроенный в геном бактерий, обеспечивает синтез гормона, инъекции которого используются при лечении карликовости и восстанавливают рост больных детей почти до нормального уровня.
Так же как у бактерий, с помощью методов генной инженерии можно изменять и наследственный материал эукариотических организмов.
Такие генетически перестроенные организмы называют транс генными или генетически модифицированными организмами (ГМО).
В природе существует бактерия, которая выделяет токсин, убивающий многих вредных насекомых. Ген, отвечающий за синтез этого токсина, был выделен из генома бактерии и встроен в геном культурных растений. К настоящему времени уже созданы устойчивые к вредителям сорта кукурузы, риса, картофеля и других сельскохозяйственных растений. Выращивание таких транс генных растений, которые не требуют использования пестицидов, имеет огромные преимущества, потому что, во-первых, пестициды убивают не только вредных, но и полезных насекомых, а во-вторых, многие пестициды накапливаются в окружающей среде и оказывают мутагенное влияние на живые организмы (рис. 107).