БИОИНЖЕНЕРИЯ СТРАТЕГИЧЕСКОЕ НАПРАВЛЕНИЕ В БИОЛОГИИ И ИММУНИТЕТЕ РАСТЕНИЙ

Вестник защиты растений, 1, 2003

3

УДК 632.938.1:577.15.086.83

БИОИНЖЕНЕРИЯ - СТРАТЕГИЧЕСКОЕ НАПРАВЛЕНИЕ В БИОЛОГИИ И ИММУНИТЕТЕ РАСТЕНИЙ*

В.С.Шевелуха

Российская академия сельскохозяйственных наук, Москва

Создание генетически модифицированных организмов и получение из них продуктов питания является важнейшим результатом в области теоретической и практической биологии. Это вызвало с одной стороны мощное развитие исследований по биологии клеточного ядра и внутриядерных перестроек, а с другой - обострение противоречий в обществе по оценке проблемы биобезопасности. В статье рассмотрены важнейшие достижения в области биотехнологии и биоинженерии. Подчеркнута приоритетность изучения всех аспектов биобезопасности проводимых биоинженерных исследований. Сформулированы основные направления научного поиска и инновационных действий в области биотехнологии и биоинженерии и осуществлении государственного регулирования в этой приоритетной области науки.

Иммунитет - устойчивость к болезням - важнейшее свойство живых организмов. По отношению к растениям оно долго оспаривалось, так как считалось, что у них отсутствуют обеспечивающие его специализированные системы.

Постепенно в науке накапливались сведения о наличии многочисленных приспособительных, структурных и функциональных признаков и реакций, обеспечивающих ту или иную степень устойчивости растений к опасным патогенам и другим вредным организмам. Термин иммунитет вначале в кавычках, а затем без них стал все больше и больше приобретать законные права по отношению к растениям, характеризуя их устойчивость к патогенам.

Морфологи, анатомы, физиологи, биохимики, биофизики, молекулярные биологи и, наконец, молекулярные генетики выявляли все новые и новые признаки устойчивости растений к патогенам, искали и находили разные механизмы ее проявления и, соответственно, поводили разработку методов повышения иммунитета у растений.

Многие из выявленных признаков и свойств использовались селекционерами и растениеводами при создании новых сортов и гибридов сельскохозяйственных растений и их выращивании в условиях производства. Такой подход, как выяснилось, позволял решать отдельные задачи повышения устойчивости растений к вредным организмам, но не разработку це-

лостной, фундаментальной базы для решения этой сложной и крайне важной проблемы селекции и растениеводства.

Развитие ядерной биологии, разработка и использование генно-инженерных технологий в биологической науке создало мощную современную базу для решения проблемы иммунитета у растений на новой концептуальной основе.

Становится очевидным, что иммунитет организмов, в том числе и растений, определяется наличием в молекуле ДНК генов, детерминирующих их устойчивость к патогенам и вредителям, реализуемую через структурные и функциональные системы организмов.

Создание генетически модифицированных организмов (ГМО) и получение из них продуктов питания является сегодня реальным результатом работы во многих научных лабораториях мира. Это высшая точка современного этапа развития теоретической и практической биологии. Уже созданы ГМО более сорока видов растений. Зарегистрированы коммерческие сорта, которые занимают сегодня в мире более 50 млн. гектаров посевов.

Эти достижения вызвали к жизни, почти одновременно, два противоречивых процесса в науке и обществе: а) усиление исследований биологии клеточного ядра и внутриядерных перестроек и б) обострение противоречий в обществе по оценке проблем биобезопасности, возникновение сложных административных

*Доклад на Первой всероссийской конференции по иммунитету растений к болезням и вредителям. 1-6 июля 2002 г. Санкт-Петербург. Печатается с сокращениями.

барьеров и общественных движений, направленных против дальнейшего развития биотехнологии и особенно биоинженерных исследований.

Научный поиск ориентируется на новое приоритетное направление - биология ядра (ядерная биология) с ее прикладной частью - биоинженерией, генетической инженерией, трансгенозом, направленные на создание генетически модернизированных растений, животных и микроорганизмов, получение генетически модернизированных продуктов различного назначения.

Дискуссии по проблеме биобезопасности активизируют выработку государственных и международных законодательных и нормативно-правовых актов, регулирующих научные, социально-экономические и этические аспекты генно-инженерной деятельности в мире и в каждой стране в отдельности. Это положительный процесс, создающий нормальную правовую базу для обеспечения биобезопасности. Но одновременно и в значительно больших масштабах развивается движение "зеленых" и других общественных формирований, основанное на ненаучных публикациях, домыслах и догадках, а также на конкурентной борьбе разных коммерческих фирм, объединений и корпораций за прибыль и рынки сбыта биотехнологической и обычной продукции.

Самыми крупными достижениями ученых биотехнологов и биоинженеров является:

- создание трансгенных растений, устойчивых к различным стрессовым, биотическим и абиотическим факторам среды, снижающим урожай посевов на 3050% бактериальным, грибным и вирусным болезням - фузариозу, перикуляриозу, ризоктониозу, альтернариозу и др., гербицидам, вредным насекомым - колорадскому жуку, хлопковой совке и другим, засолению, кислотности почв, тяжелым металлам, резким колебаниям температуры и влажности среды и др.;

- создание генно-инженерных препаратов профилактического и терапевтического действия для медицины и ветери-

Вестник защиты растений, 1, 2003 нарии, в том числе для защиты людей и животных от опасных болезней (лейкоза, бешенства, ящура, бруцеллеза и других);

- создание трансгенных животных, устойчивых к опасным вирусным и другим болезням (овцы, свиньи, кролики, птица);

- клонирование растений и животных с целью сохранения, восстановления и ускоренного размножения особо ценных генотипов, а также их клеток, тканей и органов;

- обеззараживание посадочного материала от вирусов, вироидов и других возбудителей болезней;

- генотерапия наследственных болезней человека, (использование клеток с нормальным генетическим аппаратом);

- генно-инженерные методы лечения раковых опухолей.

Перечисленные направления исследований и достижения в области биотехнологии и биоинженерии обеспечены коллективами ученых специализированных институтов и лабораторий РАН, РАСХН, РАМН, РАО, кафедр высших учебных заведений страны. Ведущее место среди них занимают Центр "Биоинженерия", институты общей генетики, молекулярной биологии, молекулярной генетики РАН, сельскохозяйственной биотехнологии РАСХН, ВИЖ, Биотехцентр ВИЛАР, кафедра сельскохозяйственной биотехнологии сельскохозяйственной академии им. К.А.Тимирязева, кафедра генетики МГУ, институт генетики РАМН.

Коллективы, руководимых мною кафедры и научно-исследовательского отдела сельскохозяйственной биотехнологии МСХА, решили и решают следующие задачи в области биотехнологии и генетической инженерии. Разработана методика оценки степени генетического риска от применения природных фито-гормонов и синтетических регуляторов роста и развития растений. Разработана и передана МСХ РФ методика такой оценки химических и других препаратов. Создана генетическая карта групп сцепления межмикросателлитных последовательностей ДНК томата. Разрабатывается система филогенетических и таксо-

Вестник защиты растений, 1, 2003 номических связей видов в семействах пасленовых и злаковых. На основе методов молекулярного маркирования разработана технология диагностики пола у двудомных растений хмеля и идентификации форм, линий и сортов томата, устойчивых к нематоде. Методами клеточной селекции получены формы пшеницы, устойчивые к септориозу; картофеля, устойчивого к ризоктониозу; моркови, устойчивой к альтернариозу. С использованием методов генетического маркирования развернуты работы по выявлению генов устойчивости подсолнечника к фо-мопсису и рапса к насекомым с последующим созданием на их основе устойчивых к ним трансгенных форм, сортов и гибридов этих культур. Эти исследования проводятся по заказу Минпромнауки РФ. Выполняется заказ фирмы Монсанто по хромосомному и генетическому анализу трансгенных форм сои, устойчивых к гербициду глифосату.

Стратегический характер биоинженерных работ, их приоритетная роль в ХХ! веке и явная недооценка этих работ в России подвинули меня на гражданский поступок - обращение с письмом на имя Президента России В.В.Путина "Об опасности отставания России в развитии современной биоинженерии". В письме внимание обращено на стратегическую важность этой проблемы в решении социально-экономических задач страны и мира, на отставание России в этой приоритетной области науки от развитых стран; на большую опасность для судеб этой науки необоснованного развития движения в стране по сдерживанию биоинженерных исследований, подогреваемого средствами массовой информации, на необходимость срочного принятия мер по обеспечению ускоренного развития этих исследований на основе законодательно утвержденной национальной программы по биотехнологии и биоинженерии.

Мощным сдерживающим фактором на пути развития генно-инженерных работ является общественное протестное движение в Западной Европе и России. В нашей стране оно развивается почти на пустом месте. Особых достижений по ис-

пользованию ГМО и других генно-инженерных продуктов у нас нет. На полях и фермах нет ни одного зарегистрированного сорта, линии скота трансгенного происхождения. Вина за такое положение лежит и на нас, ученых, плохо информирующих руководство и общественность страны о существе и значении проблемы.

Что касается Московской сельскохозяйственной академии им. К.А.Тимирязева, коллектива кафедры и отдела, то мы, как и коллектив центра "Биоинженерия" РАН, руководимого академиком РАСХН К.Г.Скрябиным, настойчиво и постоянно проводим широкомасштабную работу по ознакомлению граждан страны с этой проблемой в различных средствах массовой информации, на конференциях за рубежом и внутри страны, в постановке проблем перед руководством государства. Но опыт показывает, что наших усилий мало. Необходимо создать общий, мощный фронт исследований, информации и пропаганды.

Разумеется, мы должны не только добиваться расширения биоинженерных исследований, но и принимать меры по их биобезопасности, учитывая весь спектр возможных проблем в этой области. Тем более что реальный риск для беспокойства общества по поводу проводимых биоинженерных работ до определенного этапа при их выполнении всегда есть. Без точного знания природы этого риска, без научно обоснованного прогноза его возможного реального проявления работы по генетической инженерии проводить нельзя!

С учетом этого главного в проблеме биобезопасности обстоятельства нами в печати, других средствах массовой информации постоянно публикуются и озвучиваются необходимые материалы, сообщения, предложения и предупреждения по этому важнейшему вопросу. В журнале "Сельскохозяйственная биология" №3 за 2002 год в рамках объявленной дискуссии "Современные проблемы биотехнологии и биобезопасность" опубликована наша статья "Биотехнология и биобезопасность". Она открывает дискус-

сию и послужит базой всестороннего глубоко профессионального обсуждения современных острейших научных проблем биоинженерии и биобезопасности. Инциа-тором появления статьи в указанном журнале был академик РАСХН А.А.Жу-ченко, поставивший задачу развернуть в нашем академическом издании дискуссию по этому вопросу.

Как автор статьи обращаюсь с предложением и просьбой принять активное участие в ее обсуждении. Ее содержание подробно изложено нами также в новом, втором издании учебника "Сельскохозяйственная биотехнология" для ВУЗов, который выходит в свет в текущем году. Нет необходимости подробно останавливаться на всех аргументах, изложенных в статье. Но самые главные проблемы и дискуссионные вопросы по проблеме биобезопасности все же следует рассмотреть.

Первое. Несмотря на положительный тридцатилетний и безопасный опыт по генетической инженерии с различными видами организмов (не считая специфических экспериментов и технологий по созданию биологического оружия), определенный риск при создании ГМО и продуктов из них с точки зрения их безопасности для здоровья людей и окружающей среды остается. Это связано с взаимодействием донорских генов с генами реципиентной ДНК; возможно -экспрессией так называемых "молчащих" (интронных) генов и горизонтальной трансгрессии генов, связанной с переносом их с пыльцой. Возможны и другие пути случайного трансгеноза и образования опасных для человека и окружающей среды организмов и веществ. В системе научного контроля за безопасностью в биоинженерии очень важно обеспечить все уровни структурного и функционального мониторинга. Известны случаи ослабления репродуктивной функции ГМО, особенно в животноводстве, снижения уровня атракции и трофических связей в центрах интенсивного потребления ассимилятов и продуктов вторичного синтеза, увеличения концетра-ции опасных радикалов в отдельных органах растений и животных. У трансген-

Вестник защиты растений, 1, 2003 ных организмов возможно снижение показателей энергетической эффективности, что также является крайне нежелательным явлением при отборе таких организмов и создании на их основе новых образцов растений и линий животных.

В статье зав. отделом ВНИИ биологической защиты растений РАСХН О.А.Монастырского "Влияние трансгенных растений на развитие технологий выращивания и защиты сельскохозяйственных культур от актуальных фитопа-тогенов", подготовленной к печати, обращается внимание ученых и практиков на то, что "посевы трансгенных растений ликвидируют важнейшие формы биоразнообразия культур - сортовую и популя-ционную". Автор статьи не исключает, "что на посевах трансгенных растений будут выживать новые объекты мутаций по признакам вредоносности, поскольку у возбудителей болезней и вредителей всегда гораздо большее число генов, контролирующих патогенез, чем у растений число генов, контролирующих устойчивость". По сообщению О.А.Монастырского, основанному на данных национального центра продовольствия сельскохозяйственной политики США "затраты на производство основных культур трансгенных растений выше, чем обычных". Автор считает также, что "вопросы био-ценотической и пищевой токсикологии при возделывании трансгенных растений пока изучены мало". По указанным и другим причинам О.А.Монастырский ставит ряд важных задач, которые должны быть решены в науке до начала использования трансгенных растений в производстве, среди которых главным, по мнению автора, является необходимость разработки системы фитосанитарного и био-ценотического мониторинга посевов трансгенных растений и агроценозов, особенно почв, на которых посевы находятся.

В связи с важностью поднятых автором вопросов, а также с тем, что гипотетические прогнозы и выводы О.А.Монастырского экспериментально не подтверждены, автору было предложено разработать и осуществить в институте с личным его участием специальную про-

Вестник защиты растений, 1, 2003

грамму исследований по их проверке и

объективной оценке.

Степень возможных рисков по указанным направлениям при тщательном их анализе снижается в связи с отрицательным колоссальным опытом при естественных условиях оплодотворения и трансгрессии.

Второе. Кроме того, система лабораторных биологических тестов генетических, медико-биологических и санитарно-гигиенических тестов и экспертиз позволяет на всех этапах создания и экспертной оценки трансгенных организмов и получаемых из них продуктов выявить возможные токсичные, аллергенные и другие опасные соединения в трансгенных объектах и принять правильное решение об их биобезопасности и возможности регистрации и перерегистрации, а также исключения их из дальнейшего продвижения и использования. Методы экспертизы трансгенных органов и ГМО, показатели их разрешительной способности должны постоянно совершенствоваться.

Третье. Государственная система контроля, основанная на законах, правительственных постановлениях и других нормативно-правовых актах в области генно-инженерной деятельности, должна быть усовершенствована. Базовый закон о государственном регулировании генно-инженерной деятельности, авторами которого являемся также и мы с академиком РАСХН Г.К.Скрябиным, был принят в нашей стране еще в 1996 году. Необходимо обеспечить его строжайшее выполнение. Это главное звено, через которое

7

можно обеспечить надежность правовой защиты человека и окружающей среды, в области биобезопасности.

В области биоинженерной науки необходимо:

- решить проблему создания национального банка природных и искусственно созданных эффективных генов и векторов различного назначения для получения ГМО, потребность которых с каждым годом будет возрастать во всех областях экономики;

- сосредоточить усилия ученых и научных коллективов в области генно-инженерных исследований на разработке методов управляемой экспрессией генов, включая их точную адресную локализацию;

- осуществить дальнейший научный поиск и разработку методов биотестирования и экспертизы трансгенных технологий и ГМО, обеспечивающих их максимальную биобезопасность для человека и окружающей среды.

В области государственного регулирования и поддержки научных исследований по биотехнологии и биоинженерии целесообразно:

- создать, утвердить федеральным законом и реализовать научную и инвестиционную программы по биотехнологии, биоинженерии и биобезопасности на период до 2010 года с последующим ее обновлением;

- обеспечить бюджетное финансирование научной и инвестиционной федеральных программ по биотехнологии, биоинженерии и биобезопасности.

BIOENGINEERING, A STRATEGIC LINE IN BIOLOGY AND PLANT IMMUNOLOGY V.S.Shevelukha

The most important achievements in the area of biotechnology and bioengineering are considered. The priority of different aspects of the biological safety in conducting bioengineering studies is highlighted. The major lines of scientific research and innovation activity are recognized in the foregoing promising area of science with the special reference to the state regulation.