А.М. Шелтон, "Роль биотехнологии растений в продовольственных системах мира", Экономические Перспективы, Сентябрь 2003

А.М. Шелтон,
профессор энтомологии Корнеллского университета и Сельскохозяйственной опытной станции штата Нью-Йорк

Уже в течение 10 000 лет люди используют растения, которые дает им природа, и изменяют их различными методами селекции для придания им нужных характеристик, таких как более приятный вкус, более высокая урожайность и устойчивость к паразитам. В результате наши древние предки вряд ли узнали бы многие из растений, которые мы потребляем в настоящее время. Ученые считают, что технические методы биотехнологии служат подспорьем в процессе селекции растений и имеют гораздо больший потенциал для придания им различных полезных свойств - улучшенных вкусовых качеств, их выращивания без нанесения ущерба окружающей среде и более высокой урожайности. Технические методы биотехнологии уже приносят огромную пользу в медицине. Почти весь инсулин, применяемый сегодня при лечении диабета, и многие из лекарств для различных видов рака и сердечно-сосудистых заболеваний производится с применением биотехнологии и методов генной инженерии.

РАЗВИТИЕ БИОТЕХНОЛОГИИ РАСТЕНИЙ

Растение теосинте - предок кукурузы (маиса) - росло в Мексике. Оно имело небольшую репродуктивную структуру и мало напоминало початок кукурузы, который мы видим сегодня на рынках всего мира. Помидоры и картофель также впервые появились в Южной Америке - помидоры в виде небольших плодов размером с виноградину, а картофель в форме узловатых клубней с высокой концентрацией группы сильно действующих горьких химических веществ, называемых гликоалкалоидами, токсичных для человека.

Благодаря применению нашими предками селекционных методов выращивания, форма, цвет и химическое содержание этих и сотен других растений, потребляемых в наши дни, изменялись с тем, чтобы лучше отвечать вкусам потребителя или получать нужные свойства, такие как высокая урожайность, устойчивость к болезням и вредителям, способность выносить засуху и выдерживать различные виды стрессового воздействия со стороны других растений. Изменились не только внешний вид и состав этих растений. Они также распространились по всему миру в многовековом процессе миграции и торговли. Так, например, капуста, впервые появившаяся в Европе, теперь выращивается на всех обитаемых континентах. Когда сейчас покупатели заходят на рынок в самых разных уголках Земли, то они сталкиваются с современной глобальной продовольственной системой, в которой пищевые продукты, произведенные в одной части мира, ежедневно перевозятся на местные рынки в других частях мира.

Теперь мы понимаем, что наши предки изменяли генетическую структуру растений путем передачи генетического материала от одного растения к другому. Однако основные законы наследственности были раскрыты только после того, как в XIX веке австрийский монах Грегор Мендель стал проводить опыты с горохом. До начала ХХ века традиционная селекция растений наподобие той, которой занимался Мендель, основывалась на производимом вручную искусственном скрещивании. При таком скрещивании пыльца с одного растения переносилась на другое, совместимое с первым в половом отношении. Цель подобного скрещивания состояла в том, чтобы передать нужное свойство одного растения другому. Однако часто нужные характеристики либо не присутствовали в совместимых в половом отношении растениях, либо вообще не обнаруживались ни у каких видов растений. Это заставило селекционеров искать новые пути передачи нужных генов.

Начиная с тридцатых годов ХХ столетия, селекционеры разработали технические методы, позволяющие им выводить растения с помощью двух исходных растений, которые обычно не в состоянии были принести жизнеспособное потомство. Примером здесь может служить технический метод "спасения зародыша", при котором в лаборатории зародышу нового растения обеспечивается дополнительный уход с тем, чтобы ему удалось выжить на ранней стадии роста.

Кроме того, в пятидесятых годах прошлого века удалось разработать методы создания разновидностей в генетической структуре организма посредством того, что было обозначено термином "выведение мутации". В природе мутации в генетической структуре растения происходят постоянно и случайно в результате таких явлений, как солнечное излучение, и могут приводить к появлению у растения новых нужных свойств. При выведении мутации применяются аналогичные процессы с тем, чтобы вызвать изменения в генах растения. Затем растения оцениваются на предмет выявления каких-либо изменений и, если таковые обнаруживаются, выясняется, появились ли у растения те или иные полезные свойства, такие как сопротивляемость болезням или устойчивость к воздействию вредителей. Если растение стало "лучше", его проверяют на наличие иных возможных изменений. Многие из обычных пищевых сельскохозяйственных культур, которые мы ежедневно употребляем в пищу, были получены такими техническими методами, как спасение зародыша и выведение мутации, и фактически все потребляемые нами пищевые продукты содержат в себе гены.

Трудно назвать какую-либо распространенную в развитом мире сельскохозяйственную культуру, которая не была бы усовершенствована с помощью той или иной формы современной технологии, или того, что теперь определяется термином "биотехнология". Попросту говоря, биотехнология представляет собой совокупность технических методов, когда живые организмы или части организмов используются для производства или изменения продуктов, усовершенствования растений или животных или выведения микроорганизмов для конкретных целей. Это определение охватывает все виды человеческой деятельности, проводимой на живых организмах от раннего развития селекции растений 10 000 лет тому назад до настоящего времени. Вот почему селекционеры растений считают употребление термина "генетически модифицированные организмы", или ГМО неправильным, поскольку все обычные продовольственные культуры сегодняшнего дня были модифицированы таким образом.

НАУКА СОВРЕМЕННОЙ ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ

Генная инженерия представляет собой одну из форм биотехнологии и обычно заключается в копировании какого-либо гена одного живого организма - растения, животного или микроба - и добавления его другому организму. В генной инженерии кусочек генетического материала (ДНК) внедряется в другой организм с целью получения желаемого результата. Это отличается от традиционной селекции растений, в которой все гены (как нужные, так и нежелательные), содержащиеся в мужском растении, - пыльца - соединяются со всеми генами женского растения. Потомство, появляющееся в результате этого скрещивания, может содержать в себе ген нужного свойства, но при этом в нем также будет много нежелательных генов от обоих родителей.

Генная инженерия обладает тем преимуществом, что может передавать только нужный ген и тем самым значительно ускорять селекцию растения. Однако генная инженерия также оказывается более действенной, чем традиционная селекция, поскольку она способна передавать гены не только между растениями схожих видов, но и от дальних родственников, включая нерастительные виды. Возможность передачи генов в пределах таких, казалось бы, не связанных друг с другом организмов, объясняется тем, что для всех живых организмов характерен одинаковый код ДНК, процесс синтеза белков и другие основные жизненные функции. То, что на первый взгляд может показаться очень разными организмами, на самом деле имеет большое сходство, по крайней мере, на молекулярном уровне. У всего живого имеется больше сходства, чем различий, и это - одна из причин того, что гены можно столь успешно передавать между такими не схожими на вид организмами, как растения и бактерии. Гены не уникальны для тех организмов, от которых они берут свое происхождение. Поэтому в действительности не существует "генов помидоров" или "генов бактерий". Именно совокупность всех генов, а не какой-то один единственный ген в помидоре или бактерии делает его/ее помидором или бактерией. По мере того, как мы все больше узнаем о генетической структуре всех организмов, мы понимаем, что большинство растительных видов отличаются друг от друга лишь на небольшой процент своих генов, и что даже такие, казалось бы, разные организмы, как помидоры и бактерии имеют много общих генов. Наличие этих новых данных наводит нас на мысль о том, что в длительном процессе эволюции даже помидоры и бактерии имели общего предка.

После открытия 50 лет назад структуры ДНК ученые быстро пришли к пониманию того, что можно взять кусочки ДНК, несущие информацию о конкретных свойствах - гены - и передать их другому организму. В 1972 году в результате сотрудничества Хьюберта Бойера и Стэнли Коэна впервые были достигнуты изоляция гена и его перемещение из одного организма в одноклеточную бактерию, которая стала проявлять действие данного гена и вырабатывать белок. Их открытия привели к первому прямому применению биотехнологии - получению синтетического инсулина для лечения больных диабетом - и положили начало тому, что теперь часто называют современной биотехнологией.

Впервые растения подверглись изменениям посредством генной инженерии в конце семидесятых годов прошлого века. Мэри-Делл Чилтон и ее коллеги использовали распространенную почвенную бактерию Agrobacterium tumefaciens, которая живет в почве и которая, попадая на растение, передает ему часть своей ДНК. Чилтон и ее коллеги добавили этой бактерии ген, а бактерия, в свою очередь, внедрила этот ген в растение, где он стал частью ДНК этого растения. Данная бактерия до сих пор широко применяется в генной инженерии наряду с другим техническим методом, в котором используется высокоскоростной механизм введения ДНК в клетки растения. В обоих случаях получается один и тот же результат: клетки растения принимают этот ген и начинают проявлять его в качестве своего собственного.

ПОЛЬЗА И ОПАСНОСТИ

Растения, созданные посредством генной инженерии, были сначала выращены в 1996 году в Соединенных Штатах на площади 1,7 миллиона гектаров, но уже к 2002 году их выращивали в 16 странах на площади 58,7 миллионов гектаров. Безусловно, основная цель применения подобных растений состоит в борьбе с паразитами - сорняками, насекомыми и болезнями. Борьба с сорняками с помощью растений, полученных в результате генной инженерии, достигает своей цели, поскольку у растений имеется модифицированный фермент (белок), который позволяет им выжить после применения гербицида, в обычных условиях воздействующего на этот фермент. Растениеводы могут сажать семена, устойчивые к воздействию гербицидов, позволяя им дать всходы на поле наряду со всходами любых сорняков, а затем обработать это поле гербицидом. В результате погибает не урожай, а сорняки. Преимущество подобного метода для садоводов и плодоводов состоит в том, что у них уходит меньше времени на борьбу с сорняками, становится легче вести эту борьбу и появляется возможность применения более безопасных гербицидов, а во многих случаях применять их меньшее количество. Кроме того, эта технология позволяет растениеводам применять различные методы охраны почвы, такие как сокращение масштабов пахоты или беспахотное земледелие, что помогает сохранить структуру почвы, удерживать в ней влагу и предотвращать эрозию. В 2002 году сельскохозяйственные культуры с повышенной устойчивостью к воздействию гербицидов (соевые бобы, канола, хлопок и кукуруза) выращивались на площади 48,6 миллионов гектаров.

В сельскохозяйственных культурах, выведенных с помощью генной инженерии, используется распространенная в почве бактерия Bacillus thuringiensis (Bt), которая уже более 50 лет применяется в промышленности, выпускающей средства для уничтожения насекомых. Эта бактерия не наносит вреда здоровью человека и окружающей среде, но, когда ее заглатывает чувствительное к Bt насекомое, белок Bt плотно связывает специальные молекулярные рецепторы в пищеварительных органах насекомого, образуя в них поры, которые заставляют его умирать голодной смертью.

Содержащие Bt инсектицидные продукты впервые стали применяться в коммерческих целях во Франции в конце тридцатых годов прошлого столетия, но даже в 1999 году объем продаж продуктов с Bt составлял менее 2 процентов общей стоимости всех инсектицидов. Bt, имеющая ограниченное применение в качестве лиственного инсектицида, стала одним из основных средств против насекомых только тогда, когда гены, производящие токсины Bt, были с помощью генной инженерии внедрены в основные сельскохозяйственные культуры. В настоящее время выведены кукуруза и хлопок с Bt. В 2002 году общая площадь, засеянная этими сельскохозяйственными культурами, составила 14,5 млн. гектаров. Сельскохозяйственные культуры, устойчивые к воздействию вирусов, были созданы путем внедрения неинфекционной части растительного вируса в растение, по сути дела, проводя таким образом "вакцинацию" этого растения с тем, чтобы защитить его от данного вируса. Подобный метод носит название "сопротивляемость, полученная на основе использования болезнетворного микроба". С помощью генной инженерии удалось выработать у папайи и тыквы устойчивость к заражению некоторыми распространенными вирусами, причем в Соединенных Штатах было дано разрешение на продажу этих сортов папайи и тыквы. Подобные разновидности папайи и тыквы выращиваются на площади, занимающей менее 1 миллиона гектаров.

Выведенные в настоящее время биотехническим путем растения предоставляют растениеводам более совершенные средства решения проблем борьбы с паразитами. Аналогично применению любой технологии использование в настоящее время генной инженерии для выведения различных разновидностей растений приносит свои выгоды, но и чревато определенными опасностями. Однако накопленный сегодня объем информации указывает на то, что появление подобных растений облегчило борьбу с паразитами, позволило значительно сократить масштабы применения пестицидов при выращивании некоторых сельскохозяйственных культур, дало возможность растениеводам применять более безопасные средства для борьбы с вредителями и внесло свой вклад в обеспечение безопасности людей и окружающей среды. Процесс регулирования применения этих растений, а также оценки их воздействия на окружающую среду и здоровье людей эволюционирует вместе с дальнейшим развитием технологии и расширением знаний научного сообщества об этих средствах и методах.

Многие из вызывающих наибольшие противоречия вопросов, которые возникают в связи с генной инженерией, такие как устойчивость к воздействию пестицидов, перемещение генов и вопросы прав интеллектуальной собственности, присущи не только этой новой технологии, но характерны для всех форм ведения сельского хозяйства. Некоторые виды насекомых выработали сопротивляемость к опрыскивателям, содержащим Bt, что указывает на наличие у ряда из них потенциальных возможностей обретения устойчивости к растениям с Bt. Однако, несмотря на то, что с 1996 по 2002 годы во всем мире растения с Bt выращиваются на площади свыше 62 миллионов гектаров, пока отсутствуют документально подтвержденные случаи выработки у насекомых устойчивости к растениям с Bt. Причины этого отсутствия сопротивляемости у насекомых, судя по всему, включают в себя не только биологические характеристики насекомых и растений с Bt, но и то обстоятельство, что регулятивный орган (Агентство по охране окружающей среды) в Соединенных Штатах требует наличия плана управления сопротивляемостью при выращивании растений с Bt. Ни один из других инсектицидов не подвергается столь жесткому регулированию. Тем не менее, растениеводы, компании и федеральные регулятивные органы должны проявлять бдительность в отношении выработки сопротивляемости к сельскохозяйственным культурам, полученным с помощью биотехнологии и применяемым для борьбы с насекомыми, сорняками и вирусами, также как и в отношении тактики охраны от паразитов растений, выращиваемых без применения биотехнологии.

Большое значение имело бы рассмотрение преимуществ, с точки зрения охраны окружающей среды и здоровья человека, получаемых в результате выращивания биотехнологических сельскохозяйственных культур до выработки сопротивляемости, а также изучение вопроса о том, как можно контролировать сопротивляемость в случае ее возникновения. Помимо опасений по поводу выработки устойчивости на пестициды передача генов растений, выращенных без применения биотехнологии, растениям, выращенным с ее применением, может также вызывать озабоченность. Однако степень риска такой передачи генов различается для разных сельскохозяйственных культур и отдельных генов. Перенесение пыльцы у соевых бобов носит весьма ограниченный характер, поэтому опасность того, что может произойти скрещивание соевых бобов, выращенных с помощью биотехнологии, с соевыми бобами, полученными без ее применения, минимальна. Однако у других сельскохозяйственных культур ситуация может быть иной. Аналогичным образом, если ген, содержащийся в биотехнологической культуре и обеспечивающий сопротивляемость к насекомым, будет передан обычному растению, например, сорняку, должны быть оценены преимущества наличия в данной экосистеме защищенного от насекомых-вредителей сорняка. Подобные же вопросы должны ставиться и применительно к сельскохозяйственным культурам, выращенным без применения биотехнологии, хотя они и не получают столь пристального внимания.

КАКОВЫ ДАЛЬНЕЙШИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ?

В будущем потенциальное применение биотехнологии растений выйдет далеко за рамки существующих в настоящее время биотехнологических сельскохозяйственных культур, устойчивых к вредителям. Сейчас идет выведение растений, которые будут служить своего рода "предприятиями" по производству лекарственных средств, альтернативными источниками энергии, средствами для очистки токсичных выбросов и источниками таких биоматериалов, как красители, чернила, моющие средства, клейкие вещества, смазочные материалы, пластмассы и т.д. Возможно, с точки зрения потребителей, эти продукты будут оказывать более прямое воздействие на повышение качества жизни, чем сегодняшние сельскохозяйственные культуры, полученные с помощью биотехнологии для борьбы с вредителями.

Пожалуй, у потребителей появятся еще более впечатляющие преимущества, когда в результате генной инженерии будут выведены растения, приносящие пользу здоровью человека в виде химических веществ, которые позволяют побеждать болезни или содержат большее количество жизненно важных витаминов и минералов. Необходимо проведение здоровой дискуссии на основании имеющейся информации относительно опасностей и выгод, связанных с сельскохозяйственной биотехнологией для того, чтобы обеспечить этой технологии подобающее ей место в наших будущих системах продовольствия и здравоохранения. Не стоит рассчитывать на то, что любая технология, включая биотехнологию, обеспечит окончательное решение проблем мирового сельского хозяйства. Однако многие люди, знакомые с биотехнологией, считают ее важным компонентом этого решения.

Примечание: мнения, выраженные в этой статье, не обязательно отражают взгляды или политику Государственного департамента США.