Лекции

Вместо предисловия.

В данном разделе мы планируем помещать материалы лекций, читаемых в Тимирязевской академии, а также интересные материалы по различным проблемам генетики, молекулярной биологии, биотехнологии, селекции и семеноводства.

Продолжением раздела является статья заведующего кафедрой генетики А.А. Жученко, вышедшая в 2003 г. в журнале сельскохозяйственная биотехнология.

При использовании этих материалов просьба ссылаться на автора. Надеемся, что это принесет Вам пользу и будем Вам признательны за Ваши отзывы на форуме либо непосредственно администраторам сайта.

Жученко Александр Александрович,

д.б.н., проф., академик РАСХН, чл.-корр. РАН, заведующий кафедрой генетики МСХА им. К.А. Тимирязева

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2003, № 1

Дискуссия. Современные проблемы биотехнологии и биобезопасность

УДК 631.522/.524:581.5:577.2

РОЛЬ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНЖЕНЕРИИ В АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЕ СЕЛЕКЦИИ РАСТЕНИЙ
(мифы и реалии)

Главное внимание уделено сочетанию методов адаптивной системы селекции растений и трансгеноза. Показано, что в современной селекции генетическая инженерия может выполнять хотя и важную, но лишь вспомогательную роль. Рассмотрены ограничения генетической инженерии, а также возможные эволюционные, биологические и экологические последствия широкого использования генетически модифицированных организмов. Обсуждаются вопросы государственного регулирования в области генно-инженерной деятельности.

"Между крайними точками зрения
лежит не истина, а проблема".
И.В. Гете

"Наука в гораздо большей степени
представляет собой вопрос как
видеть, чем что видеть".
L. Croizat (1964)

Современные подходы к управлению генотипической изменчивостью в селекции растений основаны на положениях экологической генетики об особенностях формирования и функционирования адаптивного потенциала высших организмов. В числе таковых принципиально новые взгляды на роль мутаций и рекомбинаций у цветковых растений; на генетическую природу структурной организации и функционирование количественных признаков; на растение как интегрированную систему генетических детерминантов ядра и цитоплазмы (всего идиотипа), а не мешка горошин-генов менделирующих признаков; роль абиотических и биотических условий внешней среды, выступающих не только в качестве факторов отбора (функция сепарации), но и индукторов мутационной и рекомбинационной изменчивости организмов. Таким образом, речь идет о несостоятельности представлений об онтогенетической адаптации высших растений как "реестре" конститутивных и приспособительных признаков, о якобы свободном комбинировании признаков при скрещивании, то есть неограниченной генотипической изменчивости и ее достаточности, о возможностях сохранения генофонда в условиях его экологической пассивности (по принципу "эрмитажа", "ноева ковчега" и даже стержневой коллекции) и т.д.
Можно считать доказанным, что целостность генома вида (а во многих аспектах и сорта) защищена каскадом генетических систем, канализирующих процессы генетической изменчивости и ограничивающих спектр доступных естественному и искусственному отбору рекомбинантов (особенно интрогрессивных и трансгрессивных). Другими словами, status quo генофонда высших эукариот количественно и качественно поддерживается множеством механизмов. Разумеется, роль канализированности генетической изменчивости, весьма относительная при естественной эволюции, оказывается существенной в селекции, когда на создание новых сортов растений со все большей урожайностью и комплексом хозяйственно ценных признаков отводятся лишь считанные годы. Бесспорно, мы еще весьма далеки от полного использования той генетической изменчивости, которая обеспечивается за счет традиционных методов селекции. Однако необходимость расширения и качественного изменения спектра доступной отбору генотипической изменчивости культурных растений стала очевидной и неотложной.
В настоящее время в дискуссиях по проблемам генетической инженерии основной упор делается на критериях, показателях и методах оценки пищевой безопасности генетически модифицированных организмов (ГМО) и получаемых из них продуктов. Между тем главное внимание, на наш взгляд, должно быть уделено эволюционной, биологической и экологической безопасности ГМО. Вся история развития сельского хозяйства (да и цивилизации в целом) многократно доказывала пагубность подмены широкого научного базиса узким сиюминутным прагматизмом и всякого рода целесообразностью (экономической, политической, конъюнктурной и пр.). Санитарно-гигиеническая и медико-биологическая экспертизы играют хотя и важную, но только вспомогательную роль, когда речь идет об эволюции организмов, действительно управляемой волей человека. Кроме того, следует соотносить угрозу голода (которая вполне реальна) с действительными возможностями биоинженерии вообще и генетической инженерии, в частности, в обеспечении продовольственной безопасности населения в предстоящий период.
Генная инженерия - хотя и исключительно важный, но лишь один из многочисленных методов управления генетической изменчивостью организмов, широко используемых в селекционной практике. И если число трансгенных сортов в настоящее время исчисляется десятками, то обычных - десятками тысяч и охватывает не 150, а свыше 5 тыс. культивируемых видов растений. Задачи традиционной селекции значительно шире: они включают как продукционные, так и средоулучшающие направления, а также введение в культуру новых видов. И наконец, современные методы селекции позволяют манипулировать одновременно десятками признаков, включая полигенные, тогда как возможности трансгеноза ограничиваются единичными генами.
Такое действительно выдающееся достижение человеческого разума, как генетическая инженерия, не нуждается в вымыслах и преувеличениях, которые и без того усиливают чувство неуверенности людей при использовании продуктов, производимых с помощью ГМ-растений и животных. Очевидно, что наряду с принципиально новыми возможностями, которые связаны с передачей наследственной информации между таксономически отдаленными организмами (принадлежащими к различным царствам, родам, семействам и видам), будет постоянно увеличиваться и число направлений, по которым методы генной инженерии будут интегрироваться в современную технологию селекции растений.

Возможности и достижения генетической инженерии

"Неверно считать, что вся биология может сжаться в одну последовательность ДНК".
К. Grene (1971)

Еще в 1970-х годах генетическая инженерия обсуждалась в духе чудес F. Hoyle, предсказывавшего в XIX веке возможность получения гибридов между растениями и животными. Изначально термин "генетическая инженерия" применяли для обозначения целенаправленной манипуляции наследственными детерминантами с целью изменения существующих видов. В настоящее время этим термином обычно обозначают генетические манипуляции, с помощью которых формируется организм, имеющий новую комбинацию наследуемых признаков. Заметим, что в смысле управления наследственностью "генетическую инженерию" использовали в течение тысячелетий безымянные селекционеры, благодаря которым еще в эпоху неолита и было введено в культуру абсолютное большинство возделываемых в настоящее время видов растений.
Следует признать, что биоинженерия в отличие от традиционных методов селекции обладает наибольшей возможностью технологизировать достижения в области фундаментальных знаний, и в частности молекулярной биологии. Кроме того, методы биотехнологии являются качественно новым инструментом для непосредственного изучения структурно-функциональной организации генетического материала. А это в свою очередь позволяет предположить, что генетическая инженерия растений окажет наибольшее влияние при селекции на такие адаптивно и хозяйственно ценные признаки, как интенсивность чистого фотосинтеза, индекс урожая и др. Наиболее перспективные направления в области защиты растений включают получение трансгенных сортов, устойчивых к гербицидам и вредным видам, биопестицидов, новых форм микроорганизмов и др. Очевидно также, что сама генетическая инженерия, став экспериментальным полигоном эволюции, будет непрерывно совершенствоваться и усложняться, расширяя возможности человека в целенаправленном преобразовании организмов. И вполне вероятно, что дальнейшее развитие методов молекулярной биологии, в том числе трансгеноза, позволит поднять современную селекцию растений на качественно новый уровень.
И все же адаптивная система селекции растений, базирующаяся на мобилизации генофонда, управлении наследственностью, сортоиспытании и семеноводстве, и в обозримом будущем будет обеспечивать повышение величины и качества урожая сельскохозяйственных культур на бoльшей части земледельческой территории Земли. При этом именно селекционеры растений будут выполнять роль стратегов в улучшении сельскохозяйственных культур и обеспечении продовольственной безопасности, осваивая новые, в том числе и трансгенные технологии. Поэтому ближайшая проблема в области селекции состоит в том, чтобы интегрировать и скооперировать усилия селекционеров и молекулярных биологов для решения общей задачи - повышения величины и качества урожая, ресурсоэнергоэкономичности, экологической надежности, безопасности и рентабельности растениеводства.
Однако исследования в области генетической инженерии несут с собой не только радужные ожидания. Они подчас оказываются столь же опасными, сколь и выгодными. Вот почему генетическая инженерия стала самым мощным возбудителем спокойствия мировой общественности в начале XXI столетия. Связано это с тем, что, как и любое другое судьбоносное для Homo sapiens направление науки, генетическая инженерия может иметь не только позитивные, но и негативные последствия. И главная трудность заключается в том, что мы пока не в силах точно спрогнозировать в долговременной перспективе все последствия ее широкого использования.
Хотя разделение сложного целого на составляющие элементы и является почти универсальным подходом (методом) в биологических исследованиях, структура не может быть важнее функции, а независимые компоненты совокупности сами по себе не характеризуют целое, которое фундаментально отличается от составляющих частей. Вот почему даже выдающиеся достижения в области молекулярной биологии не способны объяснить сущности биологических явлений на уровне жизни. XXI век - действительно век биологии, но это вовсе не означает, что биология как наука о закономерностях органической жизни исчерпывается представлением только о ее молекулярном уровне организации и преобразовании.
Между тем при обсуждении возможностей генетической инженерии все больше доминирует тенденция недооценивать сложность, а также динамический и непрерывный характер "живых явлений" и преувеличивать роль отдельных генов в определении способности организмов к адаптации, в том числе за счет саморегуляции. Односторонний структуралистский подход, ориентирующий на манипуляцию отдельными генами, кодирующими "признаки с определенными функциями", и рассматривающий онтогенез в качестве их "реестра", позволяет решить лишь небольшую, причем далеко не самую главную часть современных селекционных задач. Что же касается ответа на фундаментальный вопрос, может ли реальный мир быть лучше объяснен с функционалистской или структуралистской точки зрения, то очевидна неправомерность игнорирования интегрированности процесса биологической адаптации, определяющей эволюционную сущность всего живого.
Современная селекция растений - это научно обоснованная технология управления наследственностью и изменчивостью высших эукариот, позволяющая реализовать социально-экономические, экологические, дизайно-эстетические и другие цели. Являясь средством биологического контроля над адаптивными и адаптирующими реакциями растений с целью непрерывного увеличения их продукционных и средообразующих возможностей, адаптивная система селекции технологизирует достижения как прикладных, так и фундаментальных знаний. Другими словами, селекция выступает в качестве синтетической дисциплины, широко использующей достижения физиологии, биохимии, почвоведения, микробиологии, цитогенетики, экологии и других наук и функционально объединяющей этапы мобилизации генофонда, самой селекции, сортоиспытания и семеноводства, агроэкологического районирования и конструирования агроэкосистем.
Анализ роста урожайности в XX веке показывает, что наряду с минеральными удобрениями, пестицидами и средствами механизации основную роль в этом процессе сыграло генетическое улучшение растений. Так, вклад селекции в повышение урожайности важнейших сельскохозяйственных культур за последние 30 лет оценивают в 40-80 %. Именно благодаря селекции на протяжении последних 50 лет, например в США, была обеспечена ежегодная прибавка урожая в размере 1-2 % по основным полевым культурам. Имеются все основания считать, что в обозримом будущем роль биологической составляющей, и в первую очередь селекционного улучшения сортов и гибридов, в повышении величины и качества урожая будет непрерывно возрастать.

Сочетание методов адаптивной системы селекции
и генетической инженерии растений

Рекомбинационная селекция обеспечивает непрерывное расширение спектра доступной отбору генетической изменчивости хозяйственно ценных и адаптивно значимых признаков, в том числе постоянное увеличение числа идентифицированных генетических доноров потенциальной урожайности и экологической устойчивости. Для этого широко применяют методы эндогенного и экзогенного индуцирования генетической изменчивости, преодоления половой несовместимости между видами одного семейства, гаметофитного отбора, позволяющего на основе больших популяций пыльцы идентифицировать на искусственных фонах генотипы, функционально эквивалентные искомым спорофитам и т.д.
Рассматривая возможности интеграции адаптивной системы селекции и генетической инженерии следует прежде всего определить принципиально новые приоритеты самой селекции растений, вытекающие из современного понимания:
- роли интегрированности генома и всего идиотипа у высших эукариот, проявляющейся в формировании блоков коадаптированных генов и сохранении их status quo при передаче наследственной информации от одного поколения другому;
- необходимости перехода от управления изменчивостью моногенных признаков к комбинаторике количественных (полигенных) признаков, многие из которых относятся к хозяйственно ценным;
- первостепенной роли мейотической рекомбинации (а не мутаций) в формировании потенциальной, свободной и доступной отбору генетической изменчивости у цветковых растений;
- роли абиотических и биотических факторов внешней среды, определяющих не только направление и темпы естественного отбора ("формирующее" влияние биоценотической среды), но и выступающих в качестве индукторов генетической изменчивости (мутационной, рекомбинационной, репарационной, транспозиционной);
- необходимости сочетания в сортах и гибридах высокой потенциальной продуктивности, устойчивости к действию абиотических и биотических стрессоров, а также продукционных и средообразующих (почвоулучшающих, фитомелиоративных, фитосанитарных, ресурсовосстанавливающих, дизайно-эстетических и др.) функций;
- важности развития новых направлений селекции, включая фито-(био)ценотическое, биоэнергетическое, экотипическое, экологическое, симбиотическое, а также апомиктическое, гаметное и др. ;
- возможности использования "доместикационного синдрома" с целью введения в культуру новых видов и экотипов растений (экологическая и экотипическая селекция).
В то же время современная селекция характеризуется целым рядом трудностей и нерешенных проблем, к числу важнейших из которых можно отнести следующие:
1. Чем больше признаков селекционер стремится объединить в одном сорте или гибриде, тем ниже темпы искусственного отбора, тем больше времени требуется для создания нового сорта. Наличие отрицательных генетических и биоэнергетических по своей природе корреляций между признаками существенно снижает темпы создания новых сортов.
2. Возможности традиционной селекции особенно ограничены при использовании зародышевой плазмы таксономически неродственных и отдаленных видов. Основным препятствием при этом являются генети- чески детерминированные презиготические и постзиготические барьеры. При использовании в качестве доноров ценных признаков диких родичей культурных растений продолжительность и масштабы селекционного процесса резко возрастают.
3. Дальнейший рост урожайности по важнейшим культурам сдерживается уже достигнутым высоким индексом урожая (0,5-0,8).
4. Усиление зависимости вариабельности величины и качества урожая от нерегулируемых факторов внешней среды, доля которых по основным зерновым культурам превышает 60 %.
5. При внесении больших доз минеральных удобрений и мелиорантов, использовании полного набора пестицидов и средств механизации происходит экспоненциальный рост затрат исчерпаемых ресурсов на каждую дополнительную единицу урожая, в том числе пищевую калорию, усиливается зависимость продуктивности агроэкосистем от техногенных факторов, ускоряются процессы и возрастают масштабы загрязнения и разрушения окружающей среды.
6. Антиэволюционные тенденции в селекции и конструировании агроэкосистем, проявляющиеся в увеличении генетической однородности сортов и однотипности агроценозов в противовес их агроэкологической специализации, гетерогенности и дизайно-эстетической привлекательности.
7. При интеграции селекционно-агротехнических и генно-инженерных программ в большинстве случаев оказывается неизвестной генетическая природа хозяйственно ценных количественных признаков, а также эффектов их взаимодействия.
8. Как в традиционной селекции, так и при трансгенозе использование новых генетических доноров, как правило, требует значительной предварительной селекционной работы.
Анализ достижений селекции в 50-80-х годах XX столетия свидетельствует также о том, что большинство улучшенных агрономических признаков, обусловивших рост урожайности, имеет полигенный, комплексный характер. Созданы сорта и гибриды с широкой агроэкологической адаптацией, более медленным старением листьев, устойчивостью к полеганию, толерантностью цветков к абортированию в условиях жары и засухи, горизонтальной устойчивостью к болезням и др. Основное внимание в современных селекционных программах уделяется сочетанию высокой потенциальной продуктивности сортов и способности противостоять действию абиотических и биотических стрессоров. В числе основных причин такой ориентации - тенденции к увеличению разрыва между рекордной и средней урожайностью по важнейшим сельскохозяйственным культурам (обычное соотношение 4:1), повышению зависимости величины и качества урожая от применения техногенных средств, а также погодных флуктуаций (вариабельность урожайности по годам на 60-80 % обусловлена "капризами" погоды). Следовательно, дальнейшее успешное развитие селекции растений требует использования качественно новых методов, технологий и биологических концепций.
Известно, что генетика количественных признаков, игнорируя реальную генетическую природу их структурной организации и функционирования, длительное время базировалась на методах, сводящих сложные признаки к простым ("главным факторам" и пр.). В дальнейшем была признана динамичность формирования количественных признаков в морфогенезе, обусловливающая многовариантность реализации матричных структур (на пути ген-признак), перераспределение экспрессии генов и блоков генов в процессе формирования сложного признака и т.д. В настоящее время количественные признаки обычно рассматривают как динамичную многовариантную целостность, выявить генетическую природу всех составляющих которой практически невозможно. Что же касается генетических маркеров (marker-assisted-selection - MAS), реализующих свой эффект в отношении количественных признаков, то их идентификация остается весьма сложной, а практическое использование в селекции ограниченным.
Поскольку с помощью генетической инженерии не создают, а только улучшают уже адаптированные к определенным условиям внешней среды, а также технологиям возделывания сорта и гибриды, в комплексных селекционно-агротехнических программах должны быть изначально определены цели и этапы использования классических и биоинженерных методов управления наследственной изменчивостью при реализации той или иной морфофизиологической модели сорта (гибрида). Показано, например, что высокая адаптивность сорта озимой пшеницы Мироновская 808, получившего широкое распространение в самых разных почвенно-климатических и погодных условиях возделывания, объясняется идеальной агроэкологической "подогнанностью" его генома и цитоплазмы (плазмона), что и определяет высокую зимостойкость и гомеостатическую способность колоса, а также выносливость при загущении стеблестоя (Хангильдин, 1996).
Параллельно с использованием генетического потенциала окультуренных видов, а также с учетом многочисленных неудачных попыток повысить их морозоустойчивость и зимостойкость, соле- и кислотоустойчивость, скороспелость и фотосинтетическую производительность в предстоящий период особое внимание будет уделено введению в культуру новых видов (направление "смены вида"), обладающих бoльшим потенциалом конститутивной адаптивности. В число первоочередных задач при этом выдвигается "приручение" новых видов бобовых культур, в том числе клубнеплодных, кустарниковых, пастбищных, фуражных и др. Перспективно также введение в культуру новых видов масличных, зерновых, зернобобовых, луковичных и корнеклубнеплодных, многие из которых не только устойчивы к действию экологических стрессоров, но и характеризуются высоким содержанием биологически ценных веществ. При этом повышение урожайности новых культур будет обеспечиваться за счет признаков, как усиливающих потенциальную продуктивность растений, так и снижающих отрицательное действие лимитирующих величину и качество урожая абиотических и биотических факторов.
Особенно большие возможности генетической инженерии открываются, на наш взгляд, в плане использования методов трансгеноза для индукции мейотической рекомбинации на основе переноса в межвидовые гибриды растений эндогенных индукторов кроссинговера (Жученко, 1980, 1988, 2001). В последние годы доказано, что перенос гена reс A в растения табака позволяет увеличить рекомбинационную изменчивость. В опытах Авдеева с соавт. (2000) установлено, что у регенерантов и гибридов трансгенных растений томата, несущих ген кристаллического белка дельта-эндотоксина, повышается частота выщепления "редких" мутаций. В наших опытах обнаружено изменение частоты рекомбинации между локусами ful-e у гибридов томата, полученных при участии трансгенной формы с Ds-элементом в 4-й хромосоме. Одновременно отмечены и изменения расщепления по фенотипическим классам (Соловьев с соавт., отчет лаборатории рекомбиногенеза ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии за 2002 год).
В процессе интеграции методов адаптивной системы селекции и трансгеноза первостепенное внимание должно быть уделено повышению устойчивости сортов и гибридов к болезням, вредителям и сорнякам. О важности этого направления селекции свидетельствует уже тот факт, что общее число потенциально вредоносных для агроэкосистем видов достигает 80-100 тыс., в том числе свыше 30 тыс. возбудителей грибных, бактериальных и вирусных заболеваний, около 10 тыс. членистоногих и др. Несмотря на увеличение количества применяемых в сельском хозяйстве пестицидов (например в США 400 тыс. т в год) к началу XXI столетия потери урожая составляют в среднем 33 %. Общая же цена потерь урожая сельскохозяйственных растений в мире, согласно имеющимся оценкам, только от болезней достигает 50 триллионов долларов в год. В этой связи большие перспективы представляет сочетание методов традиционной селекции и трансгеноза при создании сортов с вертикальной устойчивостью, а также многолинейных и синтетических сортов. Связано это с тем, что методы генной инженерии позволяют встраивать в растение-реципиент сразу несколько разных генов устойчивости, создавая, таким образом, "пирамиду генов", обеспечивающую комплексную резистентность сорта. Однако нет оснований утверждать, что генная инженерия якобы сокращает время выведения сортов с требуемыми характеристиками (Шеламова, 2001 и др.), так как для этого всегда используют уже приспособленные к местным условиям внешней среды (почве, климату, погоде, технологиям возделывания) сорта, для создания которых необходимо 5-10 лет и более.
На многих объектах установлена корреляция между признаками, проявляющимися на гаметофитном и спорофитном уровнях (Мирюта, 1967; Жученко, 1980; Кравченко с соавт., 1988 и др.). Например, экспериментально показано, что устойчивость томата к повышенной температуре (жаростойкость) коррелирует с определенным спектром эстераз в пыльце, их активностью и термостабильностью, а также характером изменчивости морфоцитохимических признаков самой пыльцы (Кравченко, 2000). При этом на гаплоидном уровне могут экспрессироваться такие признаки, выявить которые у диплоидов обычно не удается (Hollingshead, 1930; Muntzing, 1934; Katayama, 1954). Однако с переходом к отбору на гаплоидном уровне, например у кукурузы, существенно изменяется отношение между признаками (Ротаренко, 2000), что в свою очередь усложняет прогноз их проявления у диплоидов. К настоящему времени доказана возможность введения экзогенной ДНК в растения посредством прорастающей пыльцы (Чесноков, 2000).
Таким образом, с помощью гаметной селекции и гаметофитного отбора можно успешно решать следующие селекционно-генетические задачи:
- Улучшение показателей самих репродуктивных структур, и в частности пыльцы (изменение аэродинамических свойств и фертильности; повышение пыльцепроизводящей функции растений, а также способности пыльцы прорастать при пониженных или, наоборот, повышенных температуре, влажности, освещенности и других стрессовых ситуациях).
- Изменение признаков спорофита за счет оценки и отбора генетически разнокачественных пыльцевых зерен, то есть на основе использования корреляций между признаками гаметофита и спорофита.
- Оценка эндогенного (включая трансгеноз) и экзогенного индуцирования частоты и спектра рекомбинационной изменчивости, проявления признаков пыльцы у гибридов F1, характера их наследования, а также дифференциального роста пыльцевых трубок in vitro и in vivo.
- Исследование особенностей проявления признаков на гаплоидном уровне, в том числе с учетом того, что у диплоидов некоторые признаки не экспрессируются.
- Повышение точности гибридологического анализа за счет учета возможностей элиминации маркированных рекомбинантных микрогамет, а также изменения соотношений между фенотипическими классами растений в расщепляющихся поколениях.
Поскольку гаметная селекция, базирующаяся на прямом (свойства самой пыльцы) и косвенном (корреляция между признаками гаметофита и спорофита) отборе пыльцы, позволяет значительно ускорить селекционный процесс, очевидна не только возможность, но и целесообразность сочетания методов гаметной селекции и трансгеноза. В основу такой интеграции может быть положена гибридизация трансгенных форм с сортами-реципиентами, а также использование самой пыльцы в качестве генетически модифицируемого объекта. Главные преимущества сочетания методов гаметной селекции и генной инженерии состоят, на наш взгляд, как в возможности оценки громадного числа гамет для прямого отбора искомых генотипов на специально созданных и сравнительно легко регулируемых фонах, так и в увеличении вероятности идентификации ценных спорофитов на основе корреляционного анализа (косвенный гаметофитный отбор).
В интеграции методов современной селекции и биоинженерии исключительно важную роль играет возможность с помощью последней решать две принципиально разные, но одинаково приоритетные для селекции и семеноводства растений задачи: различать генотипы растений и паспортизировать сорта, а также выявлять гены, контролирующие хозяйственно ценные и адаптивно значимые признаки (Хавкин, 2000). Благодаря достижениям молекулярной биологии и популяционной генетики в настоящее время генетическая гетерогенность растений и пыльцы может быть оценена не только по агрономическим и биохимическим признакам, как это было во времена Н.И. Вавилова, но и на молекулярном уровне (изоферментный анализ, одномерный и двумерный электрофорез, рестрикция ДНК и др.). При оценке генетического разнообразия особого внимания заслуживает учет новых аллелей, а также новых сочетаний генов (с указанием географического происхождения и генеалогии образцов, их географической отдаленности, степени генеалогического родства и т.д.). О биологическом разнообразии объектов исследования можно также судить по индикаторам расстояния или дивергенции между признаками (Masson, 1986). Выбор признаков и их число в каждом конкретном случае определяют с учетом поставленной задачи, а сами признаки, в том числе продуктивности и устойчивости, оценивают в потомстве отборов.
Итак, в XXI веке роль сочетания методов адаптивной системы селекции и трансгеноза в формировании величины и качества урожая, а также средоулучшающих и ресурсовосстанавливающих функций агроэкосистем может не только существенно возрасти, но и оказаться решающей при целенаправленном управлении наследственностью и изменчивостью культурных растений. При этом основополагающее значение селекции в дальнейшем наращивании производства сельскохозяйственной продукции обусловлено тем, что применение техногенных средств интенсификации в промышленно развитых странах уже достигло порога антропогенного насыщения агробиогеоценозов, а для большинства развивающихся стран остается недоступным. Поскольку уже практически полностью использованы резервы расширения площадей плодородных почв и запасов пресной воды, а затраты невосполнимых ресурсов на каждую дополнительную единицу урожая и масштабы деградации природной среды имеют постоянную тенденцию к росту, будущее цивилизации зависит от возможностей биологизации и экологизации интенсификационных процессов в системе сельскохозяйственного природопользования.

Ограничения и опасности генетической инженерии

"Не навреди, не ищи выгоды, советуйся с коллегами и соблюдай высокую мораль".
Бессмертные принципы клятвы Гиппократа

При оценке возможностей генетической инженерии важно учитывать те ограничения и опасности, которые вытекают из законов генетической и экологической изменчивости живых организмов. Известно, что генетическая сложность цветковых растений на много порядков выше, чем бактерий. При этом барьеры, обусловливающие половую несовместимость и инконгруентность у высших растений, весьма многочисленны и вовсе не исчерпываются известными презиготическими и постзиготическими механизмами. Поскольку многие закономерности генетической инженерии остаются до конца неизвестными и мы не знаем, сколько времени потребуется на их познание, было бы весьма опасным пренебрегать традиционными методами селекции, которые сегодня, действительно, "кормят" население Земли.
Высоко оценивая роль генетической инженерии в селекции растений, особенно в плане преодоления межвидовых и даже межродовых барьеров несовместимости, следует, однако, учитывать и ограничения, обусловленные следующими причинами:
1. Большинство хозяйственно ценных и адаптивно значимых признаков являются полигенными по своей природе, более того, они контролируются коадаптированными в масштабе хромосом, генома и даже идиотипа ядерными и цитоплазматическими детерминантами; из более чем 50 тыс. генов, контролирующих идиотип высшего растения, лишь у некоторых видов изучены 200-300 генов (локализация в хромосомах); большинство адаптивно и хозяйственно значимых полигенных признаков остаются генетически не идентифицированными и биохимически не охарактеризованными; методы генетической инженерии разработаны только для небольшого числа культур и т.д. Наиболее распространенной ошибкой является отождествление гена с признаком. Однако именно на этом базируется рабочая концепция трансгеноза как метода "переноса генов". Между тем любой ген - это лишь одна из важнейших, но не единственная предпосылка проявления признака, в том числе его пенетрантности, экспрессии, плейотропных эффектов и т.д.
2. Неопределенность конечного результата трансгеноза (как и при индукции мутаций) и ограниченные возможности переноса искомых генов. Эта ситуация обусловлена рядом причин:
- отсутствие методов сайт-направленной интеграции генов, или вставки интродуцируемых генов в определенный сайт ДНК-хозяина. Между тем без точной и мишень-направленной генной хирургии (targetoriented gene-surgery) тДНК будет встраиваться в геном растения-хозяина случайно;
- быстрый выход из строя ГМ-растений, полученных на основе бактериальных генов, под воздействием систем инактивации чужеродной ДНК, с помощью которых растения обычно защищаются от вторжения вирусов (silensing - подавление активности трансгенов);
- наряду с чужеродным геном трансгенные растения нередко несут и немало "строительного мусора", включающего нежелательные генетические элементы вектора (маркерные гены и пр.);
- невозможность использования Agrobacteria для переноса генов с помощью Ti-плазмид в однодольные растения, к которым принадлежат многие хозяйственно ценные виды;
- поиск генных векторов для хлоропластов и митохондрий, так как Ti-плазмиды переносят гены исключительно в ядро;
- недостаточные знания о структуре, функциях и регуляции генов, определяющих большинство хозяйственно ценных и адаптивно значимых признаков.
Остается также неисследованным влияние трансгеноза на экспрессию собственных генов хозяина (реципиента); место интеграции ДНК в геноме хозяина при безвекторном варианте переноса оказывается случайным; возможны феномены запуска (индукция) непрогнозируемых событий "инсерционного" мутагенеза, усиления вариабельности трансгенной экспрессии, а также проявление нежелательных плейотропных эффектов трансгена. Опасность случайности генно-инженерных последствий связана и с тем, что чужеродные гены могут активировать "молчащие" гены, а также индуцировать эндогенные системы мейотической и митотической рекомбинации.
3. Каждый вид, организм и даже клетка имеют мощную противоинформационную защиту (системы узнавания и репарации, подавляющие функционирование экзогенной ДНК). Кроме того, у высших эукариот функционирует весьма сложная и многоэшелонированная регуляция экспрессии генома (включающая транскрипционный и посттранскрипционный уровни), причем каждый уровень многократно задублирован. Наличие этого механизма, с одной стороны, предотвращает получение эволюционно неапробированных генетических вариантов, то есть усиливает биобезопасность трансгеноза, а с другой, - сдерживает получение нетрадиционных генетических вариантов, что является главной задачей самой генетической инженерии и селекции в целом.
4. Широко известны многие нетрадиционные пути обмена генетической информацией между организмами, принадлежащими к разным систематическим группам: трансдукция (встраивание и перенос вирусом фрагментов чужеродной ДНК), трансформация (естественная или искусственная передача признаков и ДНК от одного организма к другому), обратная транскрипция и др. В числе природных векторов, способных переносить информацию от одного вида к другому, - плазмиды, вирусы, транспозоны, инсерции (Кордюм, 1982). Например, плазмиды могут переносить самые различные признаки - от патогенности грибов до фертильности или стерильности растений. Подробно исследован перенос генов из бактерий в грибы, растения и клетки млекопитающих. В результате возможно не только локальное, но и глобальное нарушение экологического равновесия в естественных и антропогенных экосистемах. Вместе с тем, например, спутниковые сорные виды и расы пшеницы, ячменя, овса, риса, рапса, сорго, подсолнечника, земляники, редиса, моркови, лука и других культур (всего около 50 видов) являются "резервуарами" генетического разнообразия и составляют основу интрогрессивного обогащения генофонда соответствующих культурных видов растений. При этом интрогрессия у ряда культур достигает 30-50 % и более, а возможность передачи пластидного материала пыльцой у некоторых видов растений делает незащищенной не только ядерную, но и цитоплазматическую наследственность. Особенно велика вероятность перекрестного опыления у аутбридинговых и в первую очередь энтомофильных видов растений. Определенную опасность представляет и неконтролируемое распространение семян самих трансгенных растений.
Важно также учитывать, что сохранение, например, свойств гербицидоустойчивости в ауткроссинговых популяциях диких сородичей не требует постоянного давления гербицидного фона. Уже известно более 40 видов сорных растений, которые очень быстро приобрели устойчивость к производным сульфонилмочевины. Зарегистрирован ряд видов злаковых и бобовых сорняков, устойчивых к глифосату. Кроме того, широкое распространение гербицидоустойчивых сортов увеличивает не только масштабы применения гербицидов и вытеснения альтернативных методов борьбы с сорной растительностью (многовидовые севообороты, разные способы обработки почвы, безгербицидные технологии и т.д.), но и способствует обеднению видового состава полезной энтомо- и орнитофауны в агроэкосистемах, а также загрязнению природной среды и пищевых продуктов. Особую опасность в этой связи представляет разрушение механизмов и структур биоценотической саморегуляции агроландшафтов, что неизбежно приводит к дальнейшему увеличению затрат пестицидов на защиту агроценозов от вредоносных видов. В результате образуется замкнутый порочный круг, при котором наносится все больший ущерб экологической безопасности человека.
С учетом вероятности и опасности неконтролируемого переноса наследственной информации генетически модифицированных культурных растений к их диким сородичам, в том числе сорнякам, важно учитывать следующие особенности гаметофитного отбора: конкурентная способность пыльцы является наследуемой и играет важную роль в эволюции покрытосеменных, обусловливая неслучайное опыление; степень конкурентоспособности пыльцы влияет на фенотип потомства, может увеличивать число и энергию прорастания семян, усиливать рост сеянцев; пыльцевая функция культурных растений обычно ослаблена по сравнению с дикорастущими видами и полукультурными разновидностями; между проявлением хозяйственно ценных и адаптивно значимых признаков на гаметофитной и спорофитных стадиях роста растений может существовать как положительная, так и отрицательная корреляция.
Очевидно, что если трансформируемый ген прямо или косвенно усиливает конкурентоспособность пыльцы (а этой возможностью в гаплоидной пыльце обладают и рецессивные аллели) или спорофита (начиная с прорастания семян), то он будет подхвачен естественным отбором и может предопределять доминирование соответствующих генотипов в гетерогенных популяциях. Вероятность "утечки" трансгенной информации зависит от степени совместимости культурного вида и базисного сорта с дикими, в том числе сорными, видами, характера размещения последних во времени и пространстве (малые или большие группы), а также расстояния, на которое может быть перенесена соответствующая пыльца и др. В повышении вероятности такого переноса особенно большую роль будут играть полиплоидные формы дикорастущих видов растений, способных как "губка" впитывать экзогенную наследственную информацию.
В настоящее время широко используют устойчивые к вредителям трансгенные растения, в том числе с высоким содержанием Bt-токсина, который может переноситься с пыльцой и фитофагами в другие организмы экосистемы. Попадая в ризосферу, Bt-токсин способен накапливаться в почве, оказывая влияние на биогеоценоз и грунтовые воды. Трансгенные культуры, устойчивые к фитовирусам, могут изменять вирулентность существующих вирусов, приводить к появлению новых вирулентных штаммов. Возможен также прямой перенос генов вирусоустойчивости от трансгенных растений к диким сородичам. В результате неконтролируемого переноса трансгенов, появления устойчивых к гербицидам и эндотоксинам вредоносных видов, снижения биологического разнообразия агроценозов может быть существенно нарушено экологическое равновесие в агроэкосистемах. Не случайно, например, в США для предотвращения или снижения темпов естественного отбора вредных насекомых, устойчивых к Bt-токсинам, создают "убежища" для полезной энтомофауны из обычных сортов той же культуры.
Вероятность неконтролируемого распространения трансгенов значительно возрастает и в результате индуцированного рекомбиногенеза. Известно, что рекомбинация является главным механизмом передачи трансформированных генов близкородственным видам высших эукариот (совместимых при половом скрещивании). Однако показано, что при действии экологических стрессоров могут увеличиваться не только частота и спектр кроссоверов, но и идти отбор на увеличение рекомбинационного потенциала популяции (Жученко с соавт., 1985; Parsons, 1988). А это в свою очередь означает, что в неблагоприятных и особенно экстремальных условиях внешней среды рекомбинационная изменчивость растений, включая передачу трансформированных генов, может быть значительно увеличена.
5. Все возрастающие масштабы использования ГМ-растений требуют более тщательного рассмотрения вопроса о связи биологического разнообразия агроэкосистем с их генетической и экологической уязвимостью. Известно, что непрерывное использование лучших сортов в качестве исходного селекционного материала приводит к концентрации в селекционном пуле генов, полученных из ограниченных коммерческих источников. Последние в большинстве случаев не включают представленные на уровне соответствующего вида аллели того или иного признака. Генетическое разнообразие, возможно, будет снижаться также по мере того, как трансгенные сорта начнут занимать все бoльшие площади. В результате генетическая база некоторых важнейших видов растений может оказаться крайне узкой, что неизбежно повысит опасность массового поражения фитоценозов вредными видами.
Очевидно, что имеющиеся генно-инженерные варианты одного и того же признака пока несопоставимы с соответствующим аллельным полиморфизмом, представленным в коллекциях местных сортов, примитивных форм и т.д. Так, в семенном банке CIMMYT в Мексике хранится и поддерживается 13000 линий кукурузы. По мере увеличения идентифицированной по ценным признакам части коллекции генетическое разнообразие исходного материала постоянно увеличивается. Однако большинство геноисточников не может быть использовано непосредственно и необходима большая работа по их предварительной селекции. Это же обстоятельство ограничивает биоразнообразие и трансгенных вариантов.
6. Особую опасность представляет повсеместное использование неизбирательности гербицидов и энтомотоксинов, что неизбежно приведет (и уже приводит) к эффекту "пестицидного бумеранга". Так, при широкомасштабном и длительном применении гербицидов с одним и тем же спектром действия (типа раундап) малораспространенные, но не чувствительные к гербицидам сорные виды растений могут оказаться в агроценозах доминирующими. Считается, что только за последние годы десятки видов сорных растений сравнительно быстро приобрели устойчивость к производным сульфонилмочевины. Аналогичные эффекты "пестицидного бумеранга" известны при длительном применении однотипных инсектицидов и фунгицидов. Из-за повышения пестицидоустойчивости растений приходится увеличивать дозы химикатов, что в свою очередь резко снижает возможность экологически безопасного и рентабельного использования химических средств защиты растений. Кроме того, широкое применение пестицидов сплошного спектра действия является причиной нарушения трофических связей и экологического равновесия в агробиогеоценозах.
7. Международные корпорации ("Монсанто", "Доу Хемикал", "Новартис" и др.), в которых в настоящее время сосредоточена основная часть работ по генетической инженерии растений, стремятся к монопольному контролю за рынком сортов-семян, а следовательно, и за рынком продовольствия. Так, фирма "Монсанто" владеет 94 % всех трансгенных растений, выращиваемых в мире. Известно также, что гербицид раундап был создан на этой фирме в конце 70-х годов на основе глифосата. Со времени внедрения сортов сои, устойчивых к раундапу (1995), использование этого гербицида возросло с 20 до 62 % (2000) общей площади, обрабатываемой гербицидами. На 52,6 млн га, занятых ГМ-растениями, преобладают глифосатоустойчивые сорта сои, кукурузы, хлопчатника, масличного рапса, доля которых составляет 85 %; остальная часть - Bt-защищенные культуры.
Начиная с 70-80-х годов прошлого столетия идет быстрое слияние крупных химических, фармацевтических и энергетических компаний с селекционно-семеноводческими фирмами. Между тем сугубо коммерческие интересы транснациональных компаний ограничивают число сортов и гибридов, реализуемых во всем мире, что неизбежно снижает генетическое разнообразие агроэкосистем. Другими словами, монополизация в области биотехнологического бизнеса, в том числе собственности на трансгенные сорта (эксклюзивные права на сою как культуру, семена и разновидности этого растения; создание частных банков генов и т.д.), при которой получение прибыли является самодавлеющим фактором, может иметь крайне отрицательные последствия для всего мирового сообщества.
8. По своей сути генетическая инженерия относится к числу двойных технологий. Так, некоторыми фирмами были начаты разработки "терминаторных технологий", имеющих своей целью ограничение продолжительности жизнеспособности семян и, таким образом, обеспечение физической защиты авторских прав создателей трансгенных растений. В дальнейшем "по политическим соображениям" эти работы были прекращены. И все же возможности практической реализации "терминаторных технологий" на основе использования методов генетической инженерии очевидны.
Справедливости ради следует, однако, заметить, что "терминаторные технологии" могут быть разработаны и методами традиционной селекции. В этой связи специального рассмотрения заслуживает синдром дисгенеза у растений, вызываемый гаметоцидными генами. Так, Endo с соавт. (1975) установили, что несколько видов рода Triticum, имеющих геномы C, S или S1 Aegilops, содержат гаметоцидные гены, которые были внесены в геном пшеницы в результате гомологичного спаривания хромосом или добавления чужеродной хромосомы. В случаях, когда гаметоцидные гены или хромосомы видов рода Aegilops (A. speltoides, A. sharonensis, A. longissima, A. triuncialis) присутствуют в гетеро- или гемизиготном (моно-сомном) состоянии в геноме мягкой пшеницы, они вызывают разрыв хромосом и мутации, мужскую или женскую стерильность, сморщивание семян. При этом если гаметоцидный ген Gcl, полученный из A. speltoides, вызывает стерильность, сморщивание семян и мутации у растений F1, то гаметоцидные хромосомы обусловливуют стерильность.
В "терминаторных технологиях" может быть использована и различная скорость роста пыльцевых трубок, определяющих мужской и женский пол, что получило специальное название "сертация". В некоторых случаях сертацию вызывают гаметофитные факторы (у ряда видов растений идентифицированы десятки соответствующих локусов). Однако число причин, обусловливающих различную конкурентоспособность пыльцевых зерен и изменение соотношения полов, значительно больше. Так, в этом же ряду факторов находится асинхронность развития зародышевых мешков и прохождения стадии эмбриогенеза, в результате чего на этапе оплодотворения снижается завязываемость семян.
9. Наибольшую тревогу ученых, промышленников и законодателей вызывает использование трансгенных растений в полевых условиях (спонтанный перенос генов), а также употребление конечных продуктов трансформированных (трансгенетически модифицированных) растений. Так, еще в 70-х годах было установлено, что Bacillus thuringiensis высвобождает экзотоксин турингиенсин А, который является токсичным для целого ряда вредных насекомых и растительных патогенных нематод, а также влияет на млекопитающих, ингибируя синтез РНК-полимеразы (Bond с соавт., 1971; Prasad с соавт., 1972; Smuckler с соавт., 1972 и др.). В дальнейшем с учетом ранее полученных данных о влиянии пестицидов на цитогенетические системы растений был исследован и спектр реакций клеток на действие этого экзотоксина. В частности, было установлено, что турингиенсин А, являющийся основным компонентом микробного инсектицида турицида, по своему влиянию на цитогенетические процессы в клетках имитирует митотические эффекты кофеина, колхицина, аминопирина, хлоралгидрата, обладающих потенциально мутагенным действием и потому представляющих опасность. Речь идет о том, что турингиенсин А задерживает вхождение многих клеток в митоз (резкое падение митотических индексов), ингибирует формирование веретена (даже на стадии метафазы) и цитокинез, индуцирует образование микроядер, хромоцентрических ядер и внутриядерное объединение хроматина, нарушает конденсацию и рассеивание хромосом. Авторы пришли к выводу, что, поскольку турингиенсин А определенно обладает мутагенными и/или цитогенетическими эффектами, необходима большая осторожность при его крупномасштабном использовании в растениеводстве (Sharma и Sahu, 1971, 1976).
Особую опасность представляет возможное влияние ГМО на аллергические реакции человека. К настоящему времени идентифицированы сотни индукторов аллергии, от которой страдает около 10 % населения. Необходима тщательная оценка потенциальной аллергенности трансгенных растений и полученных из них продуктов. Причиной токсичности соответствующего белкового продукта может также служить экспрессия маркерных (репортерных) генов. Поскольку аллергенный потенциал привнесенного с помощью трансгеноза белка в растение-реципиент обусловлен большим числом факторов, применение даже всех имеющихся на сегодня методов тестирования аллергенности не может дать полную гарантию пищевой безопасности ГМ-продукта (Семенюк, 2001), тем более, что широко используемые сельскохозяйственные растения содержат более десятка тысяч различных белков, часть из которых является аллергенами.
Сложность методов контроля многочисленных возможных последствий широкого использования трансгенных организмов хорошо известна. Так, в Германии проверка на безвредность генетически измененных растений, животных и микроорганизмов продолжается от 5 до 6 лет. В то же время реальная ценность многих оценок (аналогичных испытаниям пестицидов) остается весьма сомнительной. Обусловлено это несовершенством методов определения безопасности (риска) использования ГМ-растений, связанным со слабой пока научной базой экологических, медико-биологических и токсиколого-гигиенических оценок последствий широкого распространения трансгенных растений и Bt-защищенных культур. В этой связи практически невозможно доказать как полную безопасность использования трансгенных растений, так и проверить возможные негативные последствия.
Противоречивые оценки последствий ГМ-продукции связаны не только с их возможным влиянием на здоровье и окружающую среду, но и неоднозначным отношением к этому вопросу людей по нравственным и религиозным соображениям. А это в свою очередь предполагает широкое привлечение всего массива соответствующих знаний, в том числе обоснованных "общих соображений" и "здравого смысла". Для этого, однако, необходимо выйти за пределы медико-гигиенических проблем использования ГМО, включив эволюционные, социально-экономические и морально-этические критерии оценок. Недопустимо, во всяком случае, чтобы интересы межнациональных корпораций были выше интересов всего общества, а население бедных стран служило в качестве дешевого испытательного полигона для ГМ-продукции. Исторический опыт развития цивилизации свидетельствует о том, что когда достижения науки используют главным образом с позиций политической и экономической целесообразности, преграда, отделяющая добро от зла, действительно оказывается хрупкой и ненадежной (Лопухин, 2001).
10. Обычно при обосновании безопасности использования ГМО, в том числе трансгенных растений, ссылаются на аналоги, происходящие в природной среде (спонтанное скрещивание между близкородственными видами растений; перенос генов между видами с помощью плазмид, вирусов и пр.). Действительно, имеются многочисленные доказательства горизонтального переноса генов в процессе эволюции растений. Считается, например, что хлоропласты произошли эндосимбиотически от фотосинтетических бактерий, то есть от общего предка (Jacob, 1982). Наряду с ранним переносом ( 400 млн лет тому назад) от общего прародителя гена tuf A, который кодирует синтез белка (EF-Tu) в хлоропластах, был обнаружен ген rpl 22, перенесенный примерно 50 млн лет тому назад от общего прародителя бобовых из хлоропласта в ядро и детерминирующий синтез фибросомного белка (L22) (Ganit с соавт., 1984). Вместе с тем при обсуждении примеров горизонтального переноса генов обычно замалчивается тот факт, что наряду с положительными природными аналогами имеются и негативные примеры.
11. К числу опасностей широкого использования ГМ-растений относят возможность влияния целенаправленного изменения содержания какого-либо одного белка на изменение других белков. Показано также, что в полевых условиях устойчивая к глифосату трансгенная соя неожиданно оказалась чувствительной к действию высоких температур (Gertz с соавт., 1999). Широкое использование трансгенных растений, обеспечивающих устойчивость к вредным насекомым за счет синтеза специфических белковых токсинов (эндотоксины Bt), а также протеолитических ферментов, осложняется крайне низкой эффективностью экспрессии интродуцированных генов вследствие нестабильности матричной ДНК. Так, обычно на долю накопленного Cry-протеина приходится лишь 0,0002-0,002 % от общего количества растворимых протеинов, которых, как правило, оказывается недостаточно для защиты растений от вредителей. Поэтому в соответствии с требованиями Агентства по охране окружающей среды США в Bt-сортах должно содержаться достаточно высокое количество токсинов для уничтожения большей части растительноядных насекомых. И все же если учесть, что к настоящему времени уже известно более 500 видов, популяции которых обладают устойчивостью к инсектицидам, то вероятность преодоления Bt-токсиноустойчивости сортов и гибридов также достаточно велика. Кстати, использование Bt-устойчивых сортов не освобождает фермеров от необходимости проведения всех остальных мероприятий по борьбе с вредителями.
Бесспорно, пока нет веских оснований сдерживать исследования в области получения трансгенных растений и животных, как, впрочем, и для всеобещающих заявлений по этому поводу. Ошибочно было бы рубить яблоню только из-за того, что на ней могут появиться червивые плоды. В то же время нельзя и отрицать наличие определенного биологического и экологического риска при широком использовании трансгенных организмов. Показано, например, что растительные остатки трансгенных культур могут оказывать влияние как на генетичеcкую структуру и динамику численности популяций почвенной биоты, так и на функционирование различных структур и механизмов биоценотической саморегуляции агроценозов. Очевидна также связь между "здоровой пищей", "экологической устойчивостью" агроэкосистем и их "биологическим разнообразием". Само же использование трансгенных растений требует не только модифицированных технологий возделывания культур, но и значительно более высокого уровня экологического мониторинга, маркировки соответствующей продукции и т.д.
В целом степень риска при использовании трансгенных организмов следует оценивать с учетом долговременных интересов жизнеобеспечения всего общества. Бесспорно, произвольная изменчивость высших растений ограничивается "системой саморегуляции" и в этом одна из эволюционных гарантий безопасности использования методов трансгеноза в селекции растений. Многие опасности в научно-техническом прогрессе обусловлены, как известно, неопределенностью тех или иных знаний, а нередко и ошибочностью отдельных положений. Утверждается, например, что биобезопасность генной инженерии якобы обусловлена использованием "природных генов", присутствующих в растениях на протяжении всей их эволюции. Между тем известно, что характер проявления любого экспрессируемого гена и даже нейтральной мутации зависит от места ее расположения в геноме и генотипической среды (Четвериков, 1924).
Следует также учитывать, что ДНК-технологии представляют собой активное вмешательство человека в эволюционное развитие биосферы, последствия которого во многом пока остаются не ясными. Не случайно в соответствии с Национальной стратегией сохранения биологического разнообразия России, принятой на Национальном форуме в 2001 году, важнейшей задачей является "предотвращение распространения генетически измененных форм живых организмов, используемых в биотехнологиях, в открытые агроэкосистемы и природные экосистемы". Бесспорно, методы генетической инженерии значительно расширяют возможности управления наследственностью и изменчивостью сельскохозяйственных культур. Однако при этом они всегда будут оставаться лишь дополнительным, но не замещающим фактором в арсенале адаптивной системы селекции растений.

Транcгеноз и эволюция

"Эволюционный подход дает возможность
достаточно глубоко понять данные спе-
циальной биологической дисциплины".
Н.В. Тимофеев-Ресовский и др. (1977)

Какие прогнозы можно сделать относительно взаимосвязи синтетической теории эволюции и трансгеноза? Какие последствия повлечет за собой повсеместное распространение генетически модифицированных растений и животных на фоне все возрастающих масштабов загрязнения и разрушения природной среды, а также демографического "взрыва"? Где и как следует искать ответы на эти и другие вопросы? Очевидно только, что степень риска использования генетической инженерии в природопреобразующей деятельности человека пропорциональна не только уровню его знаний, но и пониманию жизненно важной необходимости гармонизировать свои отношения с Природой. В настоящее время основная дискуссия при оценке риска использования ГМО ориентирована на конечный продукт, тогда как возможные эволюционные последствия генетической инженерии остаются без внимания. В чем же конкретно результаты и тенденции генетической инженерии растений противоречат известным законам естественной эволюции биосферы и в чем опасность нарушения этих законов? Попытаемся ответить на эти непростые вопросы.
Важнейшей особенностью, отличающей Homo sapiens от многих миллионов других биологических видов, является то, что при увеличении плотности человеческой популяции на ограниченном жизненном пространстве ускоренными темпами продолжается рост ее численности. Другими словами, человек является "неумеренным видом" прежде всего в том смысле, что численность его популяции оказывается неподвластной законам саморегуляции. Другая особенность Homo sapiens состоит в его необыкновенной способности к преобразованию абиотической и биотической среды. Оценивая антропогенное воздействие человека на природу, В.И. Вернадский считал его равным по масштабам действию геологических сил. Между тем нет никаких гарантий того, что дальнейшее развитие человечества будет происходить при решающем влиянии коллективного разума, то есть по сценарию перехода биосферы в ноосферу. Наиболее ярким примером тому являются не только "разлад с природой" на 37 % суши Земли, занятой сельскохозяйственными угодьями, но и миллионы гектаров пустынь, простирающихся на территориях, покрытых еще в недавнем прошлом буйной растительностью. С учетом этого открывающиеся возможности генетической инженерии вызывают не только восхищение, но и чувство беспокойства. И если исходить из того, что экологическое равновесие биосферы Земли является промежуточным, то есть ограниченным тем или иным сроком, состоянием, то безграничное вмешательство человека в естественную эволюцию "живого" может изменить как экологическую ситуацию, так и направление эволюции. Можно надеяться лишь на то, что адаптация самого Homo sapiens к окружающему миру посредством познания (суть культурной эволюции) будет опережать темпы и масштабы антропогенного вмешательства в процессы естественной эволюции.
С открытием возможностей генетической инженерии (управление наследственностью по произволу) человечество вплотную приблизилось к возможности создания такого живого мира, которого на Земле еще не было и закономерности развития которого никому неизвестны. Однако увеличивая свое влияние на биосферу человек должен опираться не только на законы эволюции и новые технологии, но и на иные стратегические цели и новые критерии "качества жизни", базирующиеся на умеренности и благоразумии. Тот факт, что живая материя эволюционирует по определенным законам (многие из которых остаются пока нам неизвестными), вовсе не уменьшает опасности вмешательства человека в изменение уже известных законов наследственности и изменчивости живых организмов. Вот почему у любого научного направления были и будут не только свои защитники, но и еретики!
Биосфера эволюционировала по законам "умножения числа видов" и их "экологической специализации". При этом в основе увеличения биоразнообразия лежит репродуктивная изоляция каждого вида. В этом и заключается один из постулатов синтетической теории эволюции (СТЭ): поток генов возможен только внутри вида, который является генетически целостной замкнутой системой. Между тем генетическая инженерия позволяет в соответствии с желанием (а порой и прихотью) Homo sapiens проводить "гибридизацию без границ", игнорируя процессы "экологической специализации" новых генотипов, что неизбежно может изменить весь устоявшийся в биосфере ход сукцессионных процессов. Примеры последствий неконтролируемого распространения тех или иных видов растений, животных, микробов и вирусов весьма многочисленны и хорошо известны. При этом все эти катастрофические ситуации вызывали не "монстры, полученные в пробирке", а проверенные уже длительной эволюцией организмы (водоросли, микроорганизмы, вирусы, цветковые растения, животные и др.).
Биологическое разнообразие биосферы лежит в основе ее экологического равновесия, что в свою очередь является главным фактором жизнеобеспечения и самого Homo sapiens. Уже тот факт, что из 5 тыс. окультуренных видов растений человек в настоящее время для удовлетворения 90 % своих потребностей в продовольствии использует лишь 20, из которых 14 принадлежит всего лишь к двум семействам, указывает на реальную опасность существенного уменьшения биологического и генетического разнообразия агроэкосистем при широком распространении ГМ-растений и сортов. Известно, что именно в результате повсеместного возделывания генетически однотипных сортов и гибридов, созданных традиционными методами селекции, в XX столетии сельское хозяйство мира сотрясали эпифитотии гельминтоспориоза, ржавчины, фомопсиса и др. При этом такая культура, как желтый люпин, считающаяся в условиях России "северной соей", была практически полностью уничтожена антракнозом. Другим неизбежным следствием уменьшения биологического разнообразия агроэкосистем станет значительно бoльшая их зависимость от "капризов" погоды (меньшая экологическая защищенность), ограниченные возможности утилизировать благоприятные факторы окружающей среды (плодородие почвы, особенности климата, погода и пр.), необходимость увеличения затрат исчерпаемых ресурсов (техногенных факторов) на каждую дополнительную единицу урожая, в том числе пищевую калорию. А это в свою очередь лишь увеличит масштабы разрушения и загрязнения природной среды, а следовательно, и нарушения экологического равновесия биосферы.
Является ли генетическая инженерия фактором микро- или макроэволюции? Известно, что в процессе микроэволюции возникают признаки не выше видовых, тогда как генетическая инженерия позволяет создавать формы растений с признаками самых отдаленных в таксономическом отношении видов. Следовательно, преодолевая репродуктивную изоляцию видов, принадлежащих к разным царствам, трансгеноз по существу обеспечивает макроэволюционный процесс, являясь как бы соответствующим экспериментом. Таким образом, речь идет не просто об управлении формообразовательным процессом, в том числе за счет скрещивания с дикими видами, что делают безымянные и известные селекционеры растений на протяжении последних 10 тыс. лет, а об управлении процессом видообразования, характерной особенностью которого действительно является "гибридизация без границ". Это в свою очередь означает, что трансгеноз является прямым вмешательством человека не только и даже не столько в селекцию, сколько в эволюцию. Однако если учесть, что согласно СТЭ изменчивость носит случайный (!) характер (хотя у высших эукариот это относится в основном к мутационной изменчивости), а эволюция непредсказуема, то бoльшие вероятность ошибки и степень риска при "целенаправленном" (по прихотям, наитию, целесообразности и пр.) управлении эволюционным процессом на основе широкого использования ГМО становятся очевидными.
В то же время одним из важных эволюционных проявлений является высокий уровень интегрированности морфогенеза и адаптивных реакций у высших организмов. В результате изменчивость последних, особенно в процессе мейотической рекомбинации, оказывается далеко не случайной. Следовательно, в процессе естественной эволюции высшие эукариоты не способны к любым изменениям, а их генетическое постоянство (status quo) обеспечивается многими механизмами (репродуктивная изоляция, эпигенез, элиминация в процессе естественного отбора и т.д.). Бесспорно, в природе среди бесчисленного разнообразия форм имеется немало примеров и неадаптивности, в том числе уродств (нейтральные, бессмысленные и вредные признаки). Однако это не меняет общей картины упорядоченности живого мира, включая усиление процессов и механизмов адаптации, в том числе саморегуляции и саморазвития.
С появлением трансгеноза генофонд видов превращается из закрытой в открытую информационную систему, а дивергентная по своей сути эволюция становится конвергентной. Каковы же возможные последствия "размывания" видов, то есть ранее защищенного генофонда? Известно, что еще в XIX веке Фокке была составлена сводка, включающая более 4 тыс. межвидовых гибридов растений, существующих в природе. Следовательно, межвидовую гибридизацию (смешение генофондов) можно рассматривать в качестве представленного и закрепившегося в процессе эволюции биосферы явления. При этом у рыб, птиц и млекопитающих в природе существуют не только межвидовые гибриды, но даже и соответствующие гибридные зоны. Кроме того, за пределами репродуктивной защищенности генофонда каждого вида остается огромное число форм без полового процесса (прокариоты, низшие и высшие эукариоты), не обладающих такой защищенностью. Все это свидетельствует о том, что само по себе преодоление репродуктивной изоляции видов еще не представляет какой-то особой опасности. Однако ситуация в корне меняется, когда речь идет об использовании возможностей целенаправленной "гибридизации без границ" для получения ближайших частных выгод, о неконтролируемом переносе трансгенов в экосистемах и т.д.
Методы генетической инженерии, допуская произвол в создании ГМО, принципиально отличаются от известных факторов естественной эволюции, которые ретроспективны по своей природе и испытаны в течение многих миллионов лет. Что же касается последствий "гибридизации без границ", то есть управления формообразовательным процессом по произволу, то о них можно пока только догадываться. Считается, что жизнь на Земле возникала многократно, затем заходила в тупик, погибала от какой-то катастрофы, которых на нашей планете было немало; после этого все начиналось с начала (Гериберт-Нильсон, 1953). Нельзя допустить, чтобы ГМО стали бы причиной нового апокалипсиса.
Эволюционная стратегия высших растений обеспечивается за счет разрешения противоречия между требованиями максимальной приспособленности в настоящем и сохранения возможности изменяться в будущем (Darlington, 1939; Mather, 1943). При этом громадное генотипическое (видовое и экотипическое) разнообразие у цветковых растений, то есть их высокий потенциал филогенетической адаптации (стратегия "умножения числа видов"), как бы компенсирует в масштабе растительного царства ограниченные возможности онтогенетической адаптации каждого вида растений в отдельности при их экологической специализации. В этом смысле основные стратегии развития дикорастущей и культурной флоры должны совпадать. Это в свою очередь означает, что высокое биологическое разнообразие культивируемых видов и сортов растений, а также агроэкологическое "разделение труда" между ними должны лежать в основе как адаптивной системы селекции, так и генетической инженерии.
Известно, что общность и параллелизм "живого" представлены как на молекулярном (закон биохимической универсальности, общность информационных и энергетических циклов, сходство ферментов, участвующих в обмене белков и др.), так и на организменном уровнях. Еще Дарвин отмечал параллелизм (подобие) в изменчивости организмов. Так, филогения паразита отражает филогению его хозяина. Более того, установлено, что между паразитом и хозяином существует межгенная комплементация (Chakravorty с соавт., 1977), а коэффициенты специфичности ДНК самых различных хозяев и поражающих их вирусов коррелируют между собой (Колосов, 1975). Вот почему считается, что трансгеноз как бы находится в русле эволюционно-аналоговой деятельности человека, особенно в сфере сельскохозяйственного природопользования. Если учесть, что эволюционные изменения могут рассматриваться только как экосистемные (Шварц, 1980), то роль ГМО как новой информационной составляющей эволюции ценозов и биосферы казалось бы не должна вызывать особого беспокойства.
Однако если исходить из положения Любищева (1973) о том, что господствующий принцип эволюции, по крайней мере, высших таксонов - параллелизм, а не дивергенция, то вполне логичным является предположение, что перенос экзогенной генетической информации может носить взрывообразный характер и при невысокой специфичности переносчика (в нашем случае трансгена) охватывать одновременно многие (особенно близкие) виды (Кордюм, 1982). Установлено, например, что одной из особенностей транспозиции является быстрое распространение в целой популяции информации, переносимой транспозонами. При этом эпидемический характер видообразования включает массовое стихийное появление новых признаков сразу на громадной территории (Берг, 1977). И хотя в дальнейшем под действием естественного отбора в новых таксонах сохранялись позитивные признаки, а вредные элиминировались, сам таксон мог навсегда исчезнуть из обменного генофонда ценоза и биосферы. Следовательно, при всей эволюционной гибкости биосферы существует опасность за счет трансгеноза (как одного из антропогенных факторов) создать не имевшее исторического прецедента изменение эволюционной траектории развития живого на Земле.
Таким образом, можно предположить, что при широком использовании трансгеноза принципиально изменится эволюционная ситуация: информационно закрытые системы, каковыми исторически являются культурные виды и дикие родичи растений, окажутся открытыми для прямого обмена генетической информацией практически со всеми живыми организмами Земли. Скорость и направление эволюционного процесса в биосфере могут существенно измениться под влиянием лавинообразного увеличения числа ГМО. При этом непредсказуемые сукцессии в биосфере могут происходить в результате реализации средообразующих возможностей самих трансгенных организмов. Заметим, что большинство вариантов биоценотических отношений, в том числе формирование консорций, эволюционно апробировано. В то же время изменение информационного окружения или его составляющих при широком распространении ГМО может повлиять на структуру экзометаболитов, биогеохимические циклы, пищевые цепи, процессы биосинтеза, динамику и генетическую структуру популяций биогеоценозов и пр.

Эволюционные подходы в селекции и генетической инженерии

Культурные растения в результате длительной, а в последние десятилетия и односторонней селекции на высокую урожайность частично, а порой и полностью, утратили многие конститутивные и приспособительные эколого-фитоценотические свойства, присущие не только S-стратегам (фитоценотическим и экотипическим патиентам, способным переносить неблагоприятные и экстремальные условия абиотической и биотической среды), но и К-стратегам (виолентам), обладающим высокой конкурентоспособностью. По типу поведения в агрофитоценозах культивируемые виды растений в большинстве своем относятся к биоценотическому типу R-стратегов, то есть ложным эксплерентам, способным к разрастанию или вспышке численности видов при отсутствии конкуренции и наличии ресурсов (Раменский, 1938). В этой связи особого внимания заслуживают эволюционные подходы в адаптивной системе селекции растений, использующей возможности трансгеноза.
В неблагоприятных и экстремальных условиях внешней среды нарушаются метаболические процессы, в том числе нормальный ход ферментативных реакций в мейозе. Одновременно ослабевают и противоинформационные системы, обеспечивающие status quo генетической системы вида: ингибируется репарация, нарушается гомологичность конъюгации и кроссинговера, снижается устойчивость к поражению патогенами и пр. Считается, что в онтогенезе растений из 50-75 тыс. генов обычно экспрессируется около 20 % (Kiper с соавт., 1979). Однако количество и структура наследственной информации резко изменяются при переходе от оптимальных к неблагоприятным и особенно экстремальным условиям внешней среды. Так, при снижении температуры содержание ДНК у высших растений может уменьшиться на 30 % (Гриф, 1980), а у дрозофилы изменяется соотношение некоторых фракций генома (Чернышев с соавт., 1979). У некоторых видов растений количество ДНК в ядре снижается и при дефиците элементов питания (Суханова с соавт., 1979). В этой связи вряд ли можно надеяться на то, что регуляцию отмеченных и других нарушений метаболизма культурных видов растений удастся устранить с помощью методов традиционной селекции. В то же время методы генетической инженерии могут оказаться весьма перспективными в обеспечении более высокого уровня общего гомеостаза роста и развития растений.
Выделение видов культурной флоры и фауны из естественных популяций происходило по общим для них эволюционно апробированным законам генетической изменчивости. Кроме того, как уже отмечалось, описаны тысячи гибридов, возникших в природе в результате естественного межвидового скрещивания (Комаров, 1944; Завадский, 1968). Вводя те или иные виды в культуру, человек подражал природе или же использовал уже созданный ею "доместикационный синдром" (сочетание хозяйственно ценных признаков в одной хромосоме у кукурузы, проса и других культур), что, как известно, не привело к самопроизвольному исчезновению диких родичей культурных растений. Поэтому вполне вероятно, что при разумном использовании ГМ-культур экологическое равновесие биосферы, базирующееся на биологическом разнообразии, может быть сохранено.
В то же время можно предположить, что широкое распространение ГМ-растений приведет к более жесткой межвидовой и внутривидовой конкуренции и даже вытеснению некоторых исторически адаптированных видов. Кроме того, следует учитывать, что трансгенные формы, отвечая "прихотям" человека и конъюнктуре рынка, хотя и являются более конкурентоспособными по отношению к обычным сортам, не обладают одновременно эволюционной надежностью и биосферосовместимостью. Известно, что искусственно созданное огромное число сортов роз и пород голубей вовсе не способствовало повышению устойчивости соответствующих видов к неблагоприятным условиям внешней среды. Более того, их потенциал онтогенетической адаптации оказался существенно ослабленным, а возможности генетической изменчивости во многом исчерпанными. Что же произойдет с биологическим разнообразием и адаптивным потенциалом биосферы после того, когда фантазиям и прихотям Homo sapiens не будет предела, а он сам, получив в распоряжение методы трансгеноза, по существу, станет Богом?

Трансгеноз и естественный отбор

В адаптивной системе селекции растений наряду с искусственным отбором важнейшую роль играет и естественный отбор. Если раньше давление отбора на изменение генетической структуры популяции оценивалось в 1 % (Ficher, 1930), то в настоящее время - в 30 %. При этом давление естественного отбора оказывается наибольшим на постмейотическом этапе - в периоды прорастания пыльцы, роста пыльцевых трубок, оплодотворения, формирования завязи, появления всходов. Именно в результате избирательного оплодотворения элиминирует бoльшая часть рекомбинантных гамет. Поэтому "формирующему" действию естественного отбора (особенно в селекции на количественные признаки, горизонтальную устойчивость, биоценотическую адаптивность) уделяется наибольшое внимание (Жученко, 1980, 2001).
В то же время еще Дарвин (1859) указывал на ограниченную эффективность естественного отбора в том смысле, что последний, увеличивая приспособленность организмов, обеспечивает лишь условное совершенство признаков. "Домашние породы, - писал он, - в своем строении и привычках несут отпечаток потребностей и прихотей человека… Большинство наиболее резко обозначившихся домашних разновидностей и не могло бы даже существовать в диком состоянии". Аналогичной точки зрения придерживался и Уоллес (1898), по мнению которого подобного рода изменения часто не только не имеют значения для животного или растения, но и вредны ему. Например, у турмана привычка кувыркаться настолько ярко выражена, что нередко является причиной смерти птицы. Как справедливо отмечает Наппельбаум (1965), для биологических систем действует не столько принцип оптимальности, сколько принцип удовлетворения.
Согласно Дубинину (1987), неадаптивная эволюция организмов идет путем фиксации нейтральных мутаций и рекомбинаций на основе стохастических процессов, сопряженного дрейфа аллелей, корреляций и плейотропии. Однако неприспособленный или экологически безразличный признак в одних условиях может иметь адаптивную значимость в других (Синская, 1963). И все же неслучайность естественного отбора наиболее адаптивных генотипов (что общепризнано) дополняется неслучайностью действия факторов внешней среды на отбор генетических систем, контролирующих процесс перехода потенциальной генотипической изменчивости в свободную и доступную отбору в зависимости от степени онтогенетической приспособленности гетерозигот. При этом действие экологических стрессоров приводит не только к U-образной изменчивости частоты кроссинговера, но и к эколого-филогенетическому адаптациогенезу самой рекомбинационной системы (Жученко, 1980, 1988). Трансгеноз, внося свои правила в генетическую изменчивость высших растений ("гибридизация без границ"; сама изменчивость в основном "неслучайна"), оказывает влияние на темпы и направления как естественного, так и искусственного отбора. При этом опровергаются, по крайней мере, два из основных постулатов СТЭ: поток генов возможен только в пределах вида, то есть вид рассматривается в качестве генетически замкнутой системы, а сама генетическая изменчивость (особенно мутационная) носит случайный характер.
На каждом этапе микро- и макроэволюции естественный отбор, имея приспособительную направленность, чаще всего отметает неадаптированные генетические варианты. В то же время он не может служить надежной гарантией элиминации потенциально вредных ГМО. Как и в случае дрейфа генов (появление нейтральных мутаций), трансгенная информация может оказаться не подверженной естественному отбору, оставаясь на какой-то период скрытой (не экспрессируемой). Такая ситуация расширяет массив и спектр "молчащей" или "призраковой" генетической информации организмов.
Таким образом, отбор и случайность - не взаимоисключающие альтернативы, так как стохастические пертурбации (случайные события) имеются на каждой стадии отбора. Другими словами, хотя естественный отбор и имеет строго приспособительную направленность, он обладает и свойством иррациональности в том смысле, что сохраняет даже уродливые генетические варианты. Именно то, что естественный отбор и случайность существуют в природе рядом, а возможности генетической инженерии позволяют реализовать не только жизненно важные потребности, но и прихоти Homo sapiens, собственно и представляет потенциальную опасность.

Эколого-генетические основы селекции
на устойчивость растений к вредным видам

В свете современных представлений об устойчивости растений к стрессовому действию абиотических и биотических факторов их общая адаптивность в большинстве случаев детерминируется коадаптированными блоками генов. При этом системы генетической коадаптации предопределяют переход от индивидуальных специализированных реакций отдельных генов к комбинированным (комплексным) защитным реакциям растений. Интегрированный характер иммунных реакций снижает или, наоборот, повышает эффекты "эволюционного танца" в системе "хозяин-паразит" и "пестицидного бумеранга", обусловленных соответственно способностью устойчивых растений "отбирать" новые более вирулентные расы и штаммы патогенов, а пестицидов - ускорять появление устойчивых к ним вредных видов. Именно исходя из интегрированности реакций устойчивости растений к действию стрессовых факторов, можно понять безуспешность попыток обнаружить какое-либо одно химическое соединение, обусловливающее устойчивость растений к патогену. Очевидно, что в этом состоит и главное ограничение использования методов генной инженерии в селекции на устойчивость культурных растений к вредным видам.
Большое число данных прямо или косвенно подтверждает положение о том, что растения, хорошо приспособленные к абиотическим факторам внешней среды, более устойчивы к поражению вредителями и болезнями, и наоборот. Следовательно, имеются основания говорить о генетической и функциональной взаимосвязи между общей и специфической адаптацией растений к абиотическим факторам внешней среды и горизонтальной (а нередко и вертикальной) устойчивостью к поражению патогенами, а повышение вертикальной и особенно горизонтальной устойчивости растений - рассматривать как составную часть селекции на более высокий потенциал онтогенетической адаптации сортов и гибридов в целом. При этом видовые и сортовые различия растений по горизонтальной устойчивости к патогенам обусловлены скорее особенностями их общего метаболизма, чем специфической реакцией на контакт с самим патогеном. Поэтому нет оснований природу горизонтальной устойчивости сводить к суммарному действию генов специфической устойчивости. Другими словами, на характер и степень проявления горизонтальной устойчивости оказывают влияние почти все гены, в том числе и цитоплазматические детерминанты, под контролем которых находится формирование потенциальной продуктивности и экологической устойчивости. В практическом плане это означает, что селекция и приемы агротехники, направленные на повышение общей и специфической приспособленности растений, будут увеличивать горизонтальную устойчивость (Жученко, 1980, 1988, 2001).
При таком подходе к природе горизонтальной устойчивости растений становятся понятными и основные направления поиска ее геноносителей: это прежде всего местные сорта и популяции, используемые в основном для повышения общей и специфической экологической устойчивости; экологически отдаленные экотипы и сортотипы, в потомстве гибридов с которыми удается получить качественно новые, в том числе трансгрессивные, варианты онтогенетической адаптивности; дикие родичи культурных растений, несущие новые блоки коадаптированных генов адаптивности и позволяющие расширить амплитуду как общей, так и специфической адаптации. Поэтому наряду с первичными центрами видообразования культурных растений, особый интерес могут представлять и вторичные центры их происхождения. Аналогичную роль может выполнять и эколого-географическая селекционная сеть, позволяющая выявить линии не только с высокой общей и/или специфической адаптивностью, но и с большей горизонтальной устойчивостью.
В случае использования горизонтальной устойчивости, возможной генетической изменчивости патогена, основанной преимущественно на мутабильности, противопоставляется не узкоспециализированная реакция вертикальной устойчивости, а целый комплекс реакций, являющихся функцией интегрированности генетических систем адаптации растения и соответствующих эффектов. Справиться с таким многообразием адаптивных реакций (морфоанатомических, биохимических и др.) патогену уже значительно сложнее. В этом "эволюционном танце" как бы сталкиваются разные возможности генетической и модификационной изменчивости патогена и растений.
Показано, что использование в селекционных программах доноров комплексной (групповой) устойчивости яровой пшеницы к грибным болезням значительно ускоряет селекционный процесс по сравнению с методом ступенчатых скрещиваний доноров, устойчивых только к отдельным патогенам (Сидоров с соавт., 2000). В то же время в селекции ячменя Глуховцев (2001) отдает предпочтение сочетанию в одном сорте горизонтальной и вертикальной устойчивости, полагая, что первая будет снижать скорость распространения инфекции и тем самым усиливать проявление вертикальной устойчивости. По его мнению, выносливость зерновых колосовых культур к скрытостебельным вредителям может быть обусловлена рядом причин: различной устойчивостью отдельных тканей; особенностями закладки и формирования различных органов (корней, листьев и др.); способностью к быстрому восстановлению ассимиляционного аппарата. Все это свидетельствует о целесообразности сочетания методов традиционной и трансгенной селекции в повышении устойчивости сортов и гибридов к вредным видам. Более того, методы генной инженерии могут иметь даже определенное преимущество при создании многолинейных сортов, компоненты которых различаются по генам устойчивости, но проявляют фенотипическое сходство по основным агрономическим признакам (скороспелости, высоте растений и т.д.). Аналогичная ситуация складывается и при создании линий, используемых в гибридной, в том числе гетерозисной, селекции.

Трансгеноз и законодательство

Большинство стран (но далеко не все) достаточно жестко и скрупулезно регламентирует порядок создания, испытания и использования ГМО. Однако в условиях, когда биоинженерия и ГМ-продукция (медикаменты, продукты питания и пр.) стремительно увеличивают свою долю в мировой торговле и национальных бюджетах, они все в большей степени оказываются под протекционистской защитой тех государств, где соответствующие исследования и производство наиболее продвинуты. Типичным примером в этом отношении являются США, транснациональные компании которых абсолютно доминируют в указанных сферах. Сдержанное и даже отрицательное отношение к широкому распространению ГМ-продукции в странах ЕС (что отражено в соответствующем законодательстве) обусловлено мощным давлением общественности, интуитивно опасающейся негативных последствий кардинального вмешательства человека в эволюцию биосферы. И наконец, выжидательную позицию занимают развивающиеся страны, в том числе и Россия, которые остро нуждаясь в импорте дополнительного количества продуктов питания и одновременно опасаясь стать популяцией Homo sapiens для испытания биоинженерных новшеств, хотя и принимают соответствующие законы, однако заранее знают, что материально-технической, организационной и главное финансовой базой, необходимой для тщательной проверки ГМ-продукции, они не обладают. Именно это обстоятельство вызывает наибольшую тревогу, так как, с одной стороны, речь идет о большей части населения Земли, действительно пока не имеющей возможности прокормить себя, а с другой, - о все большей монополизации мирового рынка продовольствия уже даже не отдельными странами или их группами, а несколькими транснациональными компаниями, главными побудительными мотивами экспансии новшеств которых являются не общественные интересы, а получение прибыли.
Известно, что на фоне продолжающейся не один десяток лет дискуссии о целесообразности либерализации мирового рынка государственный протекционизм в этой сфере со стороны промышленно развитых стран (где проживает лишь около 20 % населения мира) не только не ослабевает, а, наоборот, усиливается. Имеются все основания считать, что уже в обозримом будущем в борьбе за передел исчерпаемых ресурсов в качестве главного аргумента будут использованы запасы продовольствия, что значительно усилит вмешательство правительств и казначейств в мировой продовольственный рынок, а следовательно, и программы по использованию ГМ-продукции. Это в свою очередь делает вполне обоснованными сомнения мировой общественности в следующем:
- базируются ли принимаемые в промышленно развитых странах законы в области биоинженерии на заботе о здоровье населения стран-импортеров продовольствия или же на коммерческих интересах крупнейших биотехнологических корпораций;
- будут ли реализованы призывы к глобализации экономики, в том числе либерализации мирового рынка продовольствия и исчерпаемых ресурсов, в интересах мирового сообщества;
- удастся ли принять законы относительно биоинженерной деятельности (исследования, производство, контроль), реально обеспечивающие безопасность биосферы Земли в целом и населения каждой страны в отдельности.
С учетом уже известных реальных возможностей и ограничений биоинженерии по генетическому изменению живых организмов, недостаточного знания возможных последствий такого вмешательства в эволюцию биосферы, а также глобальной экономической, экологической, демографической и ресурсной неопределенности развития цивилизации в обозримом будущем наиболее надежной стратегией в законодательстве относительно трансгеноза явились бы, на наш взгляд, государственная поддержка опережающего развития соответствующих научных исследований и крайне осторожный подход к широкому практическому использованию возможностей генетической инженерии в тех сферах, где существует хотя бы малейшая опасность нарушения динамического равновесия таких эволюционно хрупких конструкций, каковыми являются биосфера Земли и популяция Homo sapiens.
Позиция США (где выращивают в настоящее время бoльшую часть всех генетически модифицированных культур) встречает активное сопротивление стран ЕС. Единая точка зрения последних состоит в том, что реальное влияние ГМ-продуктов на здоровье людей в достаточной степени пока еще не изучено. Если в США введение новых биоинженерных технологий обычно предшествует оценке связанного с ними риска, то в Западной Европе, напротив, ГМ-продукция начинает использоваться только после комплексной предварительной оценки. Даже правила маркировки ГМ-продуктов в европейских странах отличаются от таковых в США и Канаде. Не исключено, конечно, что защитные барьеры ЕС на пути продукции США обусловлены и обычной конкуренцией на мировом рынке продовольствия.
Встретив активное сопротивление со стороны стран ЕС, биотехнологические корпорации резко усилили экспансию продовольственных культур трансгенного происхождения - сои, пшеницы, кукурузы и ряда других видов растений в страны Азии, Африки и Восточной Европы, в том числе страны СНГ, где требования по обеспечению "пищевой безопасности" в целом и биобезопасности населения в частности менее жесткие, чем в промышленно развитых странах. Наиболее сложными задачами при этом оказываются обнаружение и оценка непредсказуемых эффектов, а также последствий долговременного использования ГМ-продуктов. А поскольку в будущем генетические модификации будут носить более сложный характер, включая множественные межвидовые переносы, вероятность появления непредсказуемых эффектов значительно увеличится. Заметим, однако, что в соответствии с принципом предосторожности (precantionary principle), обсуждавшимся на Всемирной конференции по устойчивому развитию в Рио-де-Жанейро (1992), обязанность доказывать отсутствие риска при использовании тех или иных новшеств лежит на разработчиках, а не на их оппонентах. При этом уровень и масштабы доказательств должны быть соизмеримы с потенциальным риском для окружающей среды и населения. Во всяком случае следует признать право потребителя иметь выбор на основе исчерпывающей информации о продуктах, получаемых на основе ГМО. С целью предотвращения негативных последствий использования ГМ-продуктов Государственной Думой России в 1996 году был принят Федеральный Закон "О государственном регулировании в области генно-инженерной деятельности".

З а к л ю ч е н и е

Не вызывает сомнений, что в наращивании производства продуктов питания в XXI веке решающее значение будет принадлежать биологизации и экологизации интенсификационных процессов в растениеводстве, а важнейшим фактором их реализации станет адаптивная система селекции. При этом биологическая составляющая повышения величины и качества урожая, его ресурсо- и энергоэкономичности, экологической надежности и рентабельности будет постоянно расти. В этом и состоит главный лейтмотив вступления сельскохозяйственного производства, биологичного уже по своей природе, в "век биологии". Известно, что главные средства производства, предметы, а зачастую и продукты труда представлены в этой уникальной сфере деятельности человека живыми организмами. При этом "зеленые машины-растения" обладают уникальной способностью "питаться" солнечным светом и другими неисчерпаемыми экологически безопасными ресурсами окружающей среды. Именно это и предопределяет основополагающее место зеленых растений в пищевой пирамиде биосферы, включая популяцию Homo sapiens.
Современная селекция растений, история которой насчитывает более 10 тыс. лет, впитала в себя не только эмпирический опыт многих поколений безымянных селекционеров, но и достижения в области синтетической теории эволюции, физиологии, биохимии, цитогенетики, экологии, фитоценологии и других фундаментальных наук. Именно синтетическая направленность в развитии селекции как науки позволила ей успешно преодолеть многочисленные "вызовы" XX столетия (демографический "взрыв", эпифитотии, наращивание техногенных средств интенсификации, освоение неблагоприятных и даже экстремальных территорий и пр.), обеспечив практически непрерывное повышение урожайности сельскохозяйственных культур.
Бесспорно, с появлением методов генетической инженерии возможности человека в "управлении формообразовательным процессом по произволу" необычайно возросли. Однако весь исторический опыт развития адаптивной системы селекции, а также особенности методов самой генной инженерии свидетельствуют о том, что единственная возможность эффективного использования последней лежит на пути интеграции соответствующих методов и подходов. Необходимость таковой вытекает не только из ограниченных возможностей самой генной инженерии, но и основополагающей роли громадной функционирующей сети и инфраструктуры селекционных центров в обеспечении эффективной системы сортосмены, сортообновления и семеноводства. Вместе с тем, как и любое другое крупномасштабное новшество, генетическая инженерия наряду с достижениями несет с собой и опасности.
В связи с обсуждаемым вопросом уместно вспомнить слова французского социолога П. Бурдье: "Производство активно развивается и становится эффективным только в том случае, когда оно с самого начала внушает веру в ценность того, что собирается производить". В то же время среди широких возможностей генной инженерии можно и нужно выделить как заведомо положительные аспекты, так и те, практическая реализация которых преждевременна и даже опасна. Бесспорно, например, что генная инженерия позволяет значительно расширить сферу поиска генетических доноров хозяйственно ценных и адаптивно значимых признаков, причем не только среди высших растений, но и всего биологического разнообразия, включая микроорганизмы и пр. Это особенно важно для тех видов культивируемых растений, имеющийся генофонд которых беден или не имеет необходимых гендоноров. Однако генетическая инженерия в корне меняет возможности человека в управлении формообразовательными процессами живых организмов, делая их практически беспредельными, причем не только в целях добра, но и зла.
Очевидно, что проблемы широкого распространения генетически модифицированных растений требуют теоретического осмысления, разработки соответствующих методов и критериев, интеграции с другими областями знаний и, наконец, выбора оптимальных возможностей широкого распространения конечного продукта. Следовательно, должно быть построено соответствующее дерево логически связанных проблем (оrdered problem truss). Поскольку, однако, только логических рассуждений для этого недостаточно, необходимо ступенчато наслоенные проблемы такого "дерева" свести к уже известным составляющим или, по крайней мере, использовать соответствующие модели. Из истории науки хорошо известно, что нетрадиционность возникших проблем и предлагаемые способы их решения вызывают не только сомнения, но и сопротивление. Поэтому вполне резонно замечание Root-Bernstein (1982) о том, что как задавать вопросы природе и о чем - является центральным вопросом самой науки. Разумеется, это вовсе не означает игнорирования мнения общественности. И все же поставить критические вопросы по обсуждаемой проблеме могут только ученые.
Действительно ли, как утверждают некоторые авторы, "традиционное ведение сельского хозяйства сходит с дистанции"? Возможен ли в обозримом будущем полномасштабный переход к основанным преимущественно на биотехнологии сельскому хозяйству и производству пищевых продуктов? Большинство исследователей на эти вопросы отвечает отрицательно. В их числе и ученые, непосредственно занятые в агропромышленном комплексе.
Радужные надежды на биотехнологию и многообещающие заявления ее апологетов позволяют значительной части общества уклоняться от решения кардинальных социально-экономических и экологических проблем вообще и в сельском хозяйстве в частности. Именно это дает основание считать, что и биотехнология находится в ряду бесконечного пути попыток "подчинения природы", а также перераспределения контроля над исчерпаемыми ресурсами Земли и продовольствием. Вот почему ее упрекают в экологической агрессивности (Buch с соавт., 1991). Поэтому вопрос состоит в том, бороться ли с глобальным изменением климата, изничтожением лесов и голодом или же "сотрудничать" с изменениями окружающей среды, беря на вооружение биотехнологию и генную инженерию, не задаваясь вопросом об эволюционных, экологических и медико-биологических последствиях широкого распространения генетически модифицированных организмов. Между тем самая главная мысль XXI столетия, как справедливо считает Райков (1999), состоит в неуничтожении себя и ближнего (и не только ближнего, но и дальнего).

С п и с о к и с п о л ь з о в а н н о й л и т е р а т у р ы

1. Б а л а ш о в а Н.Н., Л а х м а т о в а И.Т., Л у п а ш к у Г.А. Трансгенные растения в сельском хозяйстве и возможный риск в связи с проблемами иммунитета живых организмов. С.-х. биол., 2001, 5: 3-13.
2. Д о н ч е н к о Л.В., Н а д ы к т а В.Д. Безопасность пищевой продукции. М., 2001.
3. Ж у ч е н к о А.А. Экологическая генетика культурных растений (адаптация, рекомбиногенез, агробиоценоз). Кишинев, 1980.
4. Ж у ч е н к о А.А. Адаптивный потенциал культурных растений (эколого-генетические основы). Кишинев, 1988.
5. Ж у ч е н к о А.А. Адаптивная система селекции растений (эколого-генетические основы). М., 2001, I и II.
6. З а х а р е н к о В.А. Создание трансгенных форм растений и использование их в практике защиты от болезней и вредителей. С.-х. биол., 2000, 3: 30-49.
7. С е м е н ю к Е.Г. Проблемы риска трансгенных растений. Пущино, 2000.
8. С о к о л о в М.С., М а р ч е н к о А.И. Потенциальный риск возделывания трансгенных растений и потребления их урожая. С.-х. биол., 2002, 5: 3-22.
9. Ш е в е л у х а В.С. Биотехнология и биобезопасность. С.-х. биол., 2002, 3: 3-15.
10. Ш е л а м о в а Н.А. Перспективы применения современной биотехнологии за рубежом. Агропромышленное производство: опыт, проблемы и тенденции развития, 2001, 1: 89-108.
11. Ш у м н ы й В.К. Генная и хромосомная инженерия для растений. Вест. РАН, 2001, 8.
12. A t a n a s s o v A. Biotechnology in Bulgaria has its reasons. Sofia, 2001.
13. B i r c h R.G. Plant transformation. Problems and strategies for practical application. Ann. Rev. Plant Physiol. and Plant Molecular Biology, 1997, 48: 297-326.
14. G e r t z J.M., V e n c i l l W.K., H i l l N.S. British crop protection conference: weeds. Proceedings of an international conference. Brighton, UK, 1999, 3: 835-840.
15. H o w l e t t B.J., K n o x R.B. Allergic Interactions. Cellular Interactions. /Eds. H.F. Linskens., J. Heslop-Harrison. Berlin, 1984: 655-673.
16. M a t z k e A.J.M., N e u h u b e r F., P a r k Y.-D. e.a. Homology-dependent gene silencing in transgenic plants: epistatic silencing loci contain multiple copies of methilated transgenes. Mol. Gene Genet., 1994, 244: 219-229.
17. P a i l l o t i n G. The impact of biotechnology on the agro-food sector. OCED. The Future of Food, 2001: 71-88.
18. R o o t - B e r n s t e i n R.S. The problem of problems. J. Teor. Biol., 1982, 99: 193-201.
19. S h a r m a C.B.S.R., S a h u R.K. Cytogenetic hazards from agricultural chemicals. Mutation Research, 1977: 16-19.
20. Y o n g S. Wayward genes play the field. New Scientist, 1989, 123, 1681: 49-53.

Российская академия сельскохозяйственных наук,
117218, Москва, ул. Кржижановского, д. 15, корп. 2

Поступила в редакцию
26 ноября 2002 года
ROLE OF GENETIC ENGINEERING IN ADAPTIVE SYSTEM
OF PLANT BREEDING (myths and reality)

A.A. Zhuchenko

S u m m a r y

The author gives the main attention to combination of the methods of adaptive system of plants breeding and transgene-sis. It was shown, that genetic engineering in current selection can to play only auxiliary role, but significant one. The possibilities and the limitations of genetic engineering techniques were described. The transgenesis problems in connection with synthetic evolution theory, natural selection, horizontal transfer of genetic information and also possible evolutionary, biological and ecological conse-quences because of wide application of genetically modified (GM) organisms were analyzed. The ecological-genetic approaches in selection of plants on tolerance to harmful species were presented. The subjects of state control over works in field of genetic engi-neering in different countries, including Russia, were discussed.

Обсудить на форуме