эксклюзив
За годы исследований ученые создали биотехнологический рис для решения различных проблем, связанных с рентабельностью выращивания, включая устойчивость к вредителям, болезням и абиотическим стрессам, смогли повысить питательную ценность культуры и предложить рис качестве средства производства фармацевтической продукции.
Обзор о достижениях биотехнологий в рисе опубликован в статье на портале ISAAA, некоммерческой международной организации по продвижению новых бионаучных технологий.
…Произошедшая более тридцати лет назад зеленая революция обеспечила достаточно продовольствия, чтобы предотвратить надвигающийся тогда голод. В связи с неизбежным удвоением численности населения мира в 2050 году мировое производство продуктов питания снова должно быть увеличено на 50%, особенно основных зерновых культур.
С течением времени были разработаны многочисленные научные инициативы и стратегии, направленные на увеличение производства ключевых сельхозкультур, включая рис. Одной из них является Международная программа по биотехнологии риса (IPRB) Фонда Рокфеллера, которая с 1984 года предоставляет средства для содействия передовым генетическим исследованиям, направленным на помощь фермерам, выращивающим рис в развивающихся странах Азии и Африки, где это зерно является основным продуктом питания двух миллиардов человек.
Первоначальные исследования по разработке биотехнологического риса начались в начале 80-х годов как эксперименты с культурой тканей: эксперименты с компонентами среды, включая гормоны, сложные аминокислоты и сахара; источники эксплантатов; условия культуры; стратегии регенерации. Этот период совпал с разработкой различных методов генной инженерии риса. Бомбардировка частицами и трансформация, опосредованная Agrobacterium tumefaciens , считались наиболее эффективными для экспрессии репортерных генов: бета-глюкуронидазы (gus A) и гена зеленого флуоресцентного белка (gfp); и селектируемых маркерных генов: гены устойчивости к гербицидам и антибиотикам.
Биотехнологический рис с устойчивостью к болезням и вредителям
С открытием и доступностью генов устойчивости к вредителям в рамках программы IPRB был разработан биотехнологический рис для повышения устойчивости культуры к разрушительным вредителям: желтой рисовой огневки и бактериальному ожогу.
Заражение рисовых ферм желтой огневкой, особенно в сезон дождей, наносит огромный ущерб, достигающий 30%. Создание устойчивости к огневке было трудной задачей для селекционеров, поскольку в генофонде риса нет высокого уровня устойчивости, а скрининг устойчивости ранее проходил долго. Тем не менее ряд лабораторий разработал различные местные вариации, содержащие гены Bt (cry 1Ab, 1Ac, 1Aa, 2A, 1B или комбинацию этих генов) для устойчивости к чешуекрылым вредителям. Первые полевые испытания риса Bt с устойчивостью к огневке состоялись в Китае в 1998 году. Однако ни один Bt-рис до сих пор не коммерциализирован на законных основаниях, хотя в конце 2009 года Министерство сельского хозяйства Китая выпустило сертификаты биобезопасности для риса Bt Huahui № 1 и Bt Shanyou 63.
Бактериальный ожог риса, вызываемый Xanthomonas oryzae pv. Oryzae, может привести к потере урожая до 50% при тяжелых атаках патогена. С открытием, идентификацией и клонированием гена Xa 21 у дикого риса Oryza longistaminata, который обеспечивает устойчивость к бактериальному ожогу широкого спектра, была разработана новая стратегия. Ряд сортов риса, включая IR64, IR72, IR50, CO39, Pusa Basmati-1, IR68899B, MH63, BPY5204 и некоторые китайские линии, были генетически модифицированы и содержали этот ген. Полевые испытания некоторых трансгенных линий были проведены в Китае и на Филиппинах, но ни одна коммерциализированная линия до сих пор не вышла.
Усилия по созданию риса, устойчивого к фитофторозу, предприняты путем включения генов, кодирующих ферменты хитиназы и глюканазы, которые метаболизируют клеточную стенку грибов, и другие белки, связанные с патогенами. Повышенную активность введенных хитиназы и глюканазы вызывали грибные элиситоры, однако помимо лабораторных все еще нужны полевые эксперименты для определения эффективности против возбудителя.
Защита риса от сорняков обычно включают применение комбинаций гербицидов, севооборот, затопление и обработку почвы – трудоемкие и дорогостоящие мероприятия. Избыточные обработки гербицидами несут риски для окружающей среды, здоровья и способствуют появлению суперсорняков. Разработка устойчивого к глюфосинату биотехнологического риса в 1999 году стала хорошим инструментом для рисоводов.
Глюфосинат аммония — это природный контактный гербицид широкого спектра действия, который контролирует широкий спектр видов сорняков посредством ингибирования фермента глютаминсинтетазы, что, следовательно, предотвращает фотосинтез. Он легко разлагается, не имеет остаточной активности и имеет очень низкую токсичность для человека и дикой фауны. Устойчивый к глюфосинату рис одобрен для коммерциализации в США, Канаде и Мексике.
Долгие годы частные и государственные учреждения одновременно вели серьезную совместную работу по завершению последовательности ДНК генома риса. В феврале 2001 года вся последовательность ДНК риса была завершена и опубликована для облегчения понимания генетической структуры риса и связанных с ней белков, что позволяет селекционерам риса создавать более питательные, урожайные и ресурсосберегающие сорта.
Рис – водолюбивое растение, на него приходится 30% пресной воды, используемой для выращивания сельскохозяйственных культур во всем мире, то есть в два-три раза больше, чем для любой другой культуры.
В условиях необходимости влагосбережения и повышения солености, вызванных глобальным потеплением, стратегии по выращиванию ресурсосберегающего риса были реализованы с использованием связанных со стрессом генов и факторов транскрипции, выявленных у модельного растения Arabidopsis. Сюда входит экспрессия гена HRD в рисе, которая увеличивает биомассу листьев и клеток оболочки пучка, что, вероятно, будет способствовать усилению фотосинтетической ассимиляции, эффективности использования воды и устойчивости к засухе, например, экспрессия CBF3/DREB1A и ABF3 в рисе повышает устойчивость к засолению и дефициту воды. Более того, бактериальные гены накопления трегалозы повышают устойчивость трансгенного риса к трем стрессам: засухе, засолению и холоду.
Улучшение питательности риса
В развивающихся бедных странах, где жители имеют меньший доступ к мясу и рыбе, преимущественно едят рис, поэтому в рационе отсутствуют важные минералы и витамины. Это приводит к широкому распространению дефицита витаминов А и Е, железа и цинка, от которого страдают восприимчивые дети, беременные и кормящие женщины. Проведенные программы пищевых добавок оказались относительно дорогими, уровень несоблюдения требований высок и требует инфраструктуры для доставки и адресной реализации.
Новым подходом является биофортификация, когда применяются биотехнологические инструменты для включения генов, отвечающих за увеличение количества этих необходимых пищевых питательных веществ. Разработан биотехнологический рис с провитамином А (известный «Золотой рис») – создан путем переноса локусов бета-каротина в высокоурожайные местные коммерческие сорта Индии, Бангладеш и Филиппинов посредством обратного скрещивания с помощью маркеров и представлен в 2012 году. Согласно исследованиям, биотехнологический рис с повышенным содержанием ферритина восполняет концентрации гемоглобина и железа в печени, что позволяет предположить: биотехнологические подходы к манипулированию экспрессией ферритина в семенном железе могут способствовать решению глобальных проблем дефицита железа.
Рис лишен незаменимых аминокислот, таких как треонин, триптофан, лизин и метионин. Стратегии по улучшению содержания лизина в рисе показали, что ингибирование деградации лизина с помощью подхода РНКи увеличивает уровень свободного лизина и влияет на концентрации аминокислот, связанных с метаболическим путем лизина, таких как треонин и аспарагиновая кислота. Поскольку растительные белки являются основным источником всех пищевых белков, потребляемых человеком и сельхозживотными, а их производство обходится недорого по сравнению с мясом, улучшение их качества внесет значительный вклад в удовлетворение будущих потребностей.
Рис и биофармацевтика
Рис можно использовать в качестве сырья для производства фармацевтических препаратов, включая вакцины. Пример — пероральная вакцина на основе риса, содержащая субъединицу В вакцинного антигена холерного токсина (CTB), которая накапливается в белковых тельцах крахмалистых клеток эндосперма. Они поглощаются клетками слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта для индукции антигенспецифических иммунных ответов слизистой оболочки с нейтрализующей активностью. Интересно, что в опытах вакцина CTB на основе риса оставалась стабильной и сохраняла иммуногенность при комнатной температуре более 1,5 лет и была защищена от расщепления пепсином in vitro. Другие вакцины на основе клеток слизистой оболочки можно производить из риса для борьбы с заболеваниями дыхательных и желудочно-кишечных путей, и их можно экономично применять в развивающихся странах, где потребность зачастую самая большая.
Документально подтверждено, что расширенное использование антибиотиков способствует развитию устойчивости к антибиотикам комменсальных бактерий у домашних птиц, свиней, крупного рогатого скота и людей, что требует поиска альтернативных стратегий.
Антибактериальные молекулы, такие как лактоферрин и лизоцим, были рассмотрены и экспрессированы в рисовых зернах с помощью биотехнологии. Экспериментальное скармливание цыплятам-бройлерам риса, содержащего лактоферрин и лизоцим, показало улучшение кормовой эффективности, гистологических показателей здоровья кишечника, повышение бактериостатической активности. Эту стратегию в дальнейшем можно рассмотреть включительно до человеческих младенцев.
Наконец, проводятся фундаментальные исследования по увеличению урожайности культуры, включая включение генов в путь C4, более эффективный преобразователь световой энергии и углекислого газа в пищевые ассимиляты. Кроме того, начаты фундаментальные исследования апомиктического (размножающийся путем апомиксиса, без оплодотворения) риса или производства клонированных семян и получены многообещающие результаты. Это значительно снизит стоимость производства гибридного риса, что является важной селекционной стратегией.
(Источник: www.isaaa.org. Автор изображения: Анна Медведева, AgroXXI.ru).
